Nie wszystkie akceleratory to gigantyczne laboratoria fizyki wysokich energii. Wiele takich urządzeń pracuje w synchrotronach wykorzystywanych do badań materiałów, biologii czy farmacji, a tam coraz częściej spotyka się magnesy stałe – szczególnie tam, gdzie liczy się kompaktowość, energooszczędność i bardzo silne ogniskowanie wiązki. Ale oczywiście akceleratory cząstek kojarzą się przede wszystkim z Wielkim Zderzaczem Hadronów (LHC) w CERN, gdzie do sterowania wiązką wykorzystuje się głównie elektromagnesy nadprzewodzące – ich pole można precyzyjnie regulować w miarę wzrostu energii cząstek.

Czym właściwie jest akcelerator?

Akcelerator rozpędza naładowane cząstki, takie jak elektrony lub protony, za pomocą pól elektrycznych. Pola magnetyczne natomiast kierują wiązką i utrzymują ją na właściwym torze – pole elektryczne pełni więc rolę silnika, a magnesy działają jak układ kierowniczy i zestaw soczewek. Do budowy tych "soczewek" coraz częściej wykorzystuje się nowoczesne materiały magnetyczne, w tym duże magnesy neodymowe (NdFeB) oraz samarowo-kobaltowe (SmCo), dzięki którym można tworzyć małe, a jednocześnie bardzo skuteczne elementy optyki akceleratorowej.

Kwadrupole, czyli magnetyczne soczewki

Szczególnie interesującym zastosowaniem magnesów stałych są kwadrupole. Nie służą one do przyspieszania cząstek, lecz do skupiania i formowania wiązki – działają podobnie jak soczewki w aparacie fotograficznym, tyle że zamiast światła ogniskują strumień naładowanych cząstek.

Co oznacza gradient 200 T/m?

W publikacjach naukowych można spotkać informację, że kwadrupole z magnesów stałych osiągają gradient rzędu 100–200 T/m. Nie oznacza to jednak pola magnetycznego o wartości 100 czy 200 tesli. Gradient określa szybkość zmiany pola magnetycznego wraz z odległością od osi wiązki – jeżeli pole wzrasta do wartości 1 T w odległości 5 mm od środka, odpowiada to gradientowi 200 T/m. Duży gradient oznacza więc bardzo silne działanie skupiające, a nie ekstremalnie wysokie pole magnetyczne. Przykładem takiej konstrukcji jest opracowany w ESRF magnes QUAPEVA, który przy aperturze 10 mm osiąga gradient ok. 201 T/m, z możliwością regulacji siły ogniskowania o około 45%.

Sprawdzone zastosowania na dużą skalę

Najważniejszą zaletą magnesów stałych jest to, że nie wymagają zasilania do wytworzenia pola ani chłodzenia cewek, jak w klasycznych elektromagnesach, co obniża koszty eksploatacji. Doskonałym przykładem jest pierścień Recyclera w Fermilab, gdzie w jednej z konfiguracji zbudowano 344 dipole i 94 magnesy gradientowe (łączące funkcje dipola i kwadrupola) oparte niemal wyłącznie na magnesach stałych z ferrytu strontowego – to jedno z największych na świecie zastosowań tej technologii w praktyce akceleratorowej. Podobny kierunek obrała modernizacja ESRF-EBS we Francji, gdzie zastosowano 128 dipoli z magnesów samarowo-kobaltowych. Cała przebudowa sieci magnetycznej synchrotronu, w tym te dipole oraz ograniczenie strat na promieniowanie synchrotronowe, pozwoliła obniżyć zużycie energii elektrycznej o ok. 20–30%, przy jednoczesnym zwiększeniu jasności wiązki rentgenowskiej o dwa rzędy wielkości.

Undulatory i wigglery

Innym ważnym zastosowaniem są undulatory i wigglery, w których naprzemiennie ułożone bloki magnesów stałych zmuszają elektrony do ruchu po falistej trajektorii, wymuszając emisję intensywnego promieniowania synchrotronowego, często rentgenowskiego, wykorzystywanego w badaniach materiałów. W ESRF rozwinięto technologię kriogenicznych undulatorów permanentnych (CPMU) – chłodzenie magnesów neodymowych do temperatury ok. 140–150 K zwiększa ich remanencję magnetyczną, pozwalając uzyskać silniejsze pole bez konieczności stosowania magnesów nadprzewodzących, choć same magnesy stałe są w tym rozwiązaniu chłodzone kriogenicznie. 

 

Ograniczenia i podsumowanie

Magnesy stałe nie zastąpiły elektromagnesów w całej technice akceleratorowej – ich pole zależy od temperatury, może ulegać zmianom pod wpływem promieniowania, a zakres regulacji jest z natury mniejszy. Mimo to stały się ważnym elementem wielu urządzeń o realnych zastosowaniach badawczych i przemysłowych. Ich największą zaletą nie jest rekordowa siła pola, lecz możliwość uzyskania bardzo dużego gradientu w małej, energooszczędnej i bezobsługowej konstrukcji – od pierścienia Recyclera w Fermilab, przez synchrotron ESRF, po eksperymentalne linie transportu wiązki nowej generacji.

Bibliografia:

Ghaith A., Oumbarek D., Kitégi C., Valléau M., Marteau F., Couprie M.E. – Permanent Magnet-Based Quadrupoles for Plasma Acceleration Sources, Instruments, 2019, https://www.mdpi.com/2410-390X/3/2/27
Glass H.D. – Permanent Magnets for Beamlines and the Recycler Ring at Fermilab, https://inspirehep.net/files/0305981552b0622f7d8aeb21f9d408ae
Variable high gradient permanent magnet quadrupole (QUAPEVA), Applied Physics Letters, https://pubs.aip.org/aip/apl/article/111/25/253503/905547
ESRF – Beam is stopped to make way for EBS, https://ebs.esrf.fr/2018/12/10/beam-is-stopped-to-make-way-for-ebs/
ESRF – Cryogenic permanent magnet undulators, https://www.esrf.fr/UsersAndScience/Publications/Highlights/2012/axs/axs6