L’installation pour les faisceaux d’isotopes rares (FRIB) accélère des faisceaux d’ions lourds à une puissance de faisceau allant jusqu’à 400 kilowatts dans une cible pour créer des isotopes rares pour la recherche scientifique. Un décapant de charge joue un rôle essentiel dans ce processus. Il enlève des électrons supplémentaires du faisceau de particules chargées pour l’accélérer plus efficacement.
Le faisceau de FRIB est trop puissant pour un décapant de charge conventionnel en feuille de carbone. Ce type de décapant de charge subirait de graves dommages thermiques et de rayonnement, limitant sa durée de vie et la puissance de son faisceau. Pour surmonter cela, FRIB a développé et démontré un décapant de charge au lithium liquide à la pointe de la technologie. Puisqu’il est auto-régénérant, ce nouveau décapant de charge est un dissipateur de chaleur supérieur et ne peut pas être endommagé par les radiations.
Les scientifiques ont envisagé deux conceptions alternatives lors de la conception du décapant de charge de FRIB. Même le décapant de charge en feuille de carbone le plus performant ne durerait que six heures chez FRIB. Un autre type d’épurateur de charge à auto-réapprovisionnement est un épurateur de gaz.
Bien que cela puisse durer indéfiniment, l’état de charge du faisceau après l’extraction de la charge gazeuse est nettement inférieur à celui après une extraction de la charge solide ou liquide. L’état de charge de l’ion est égal au nombre d’électrons retirés d’un atome neutre. Plus l’état de charge est élevé, plus l’accélérateur peut fournir d’accélération à l’ion.
Un décapant de charge au lithium liquide présente un double avantage : il peut produire un état de charge aussi élevé qu’un décapant de charge solide et durer indéfiniment. Cette nouvelle technologie aidera FRIB à accélérer les faisceaux d’ions lourds jusqu’à 400 kilowatts et ouvrira de nouvelles possibilités dans divers autres développements d’accélérateurs de haute puissance.
Des installations de faisceaux d’ions lourds à haute puissance comme FRIB sont nécessaires pour permettre des découvertes scientifiques fondamentales dans le domaine nucléaire. FRIB permet aux scientifiques d’étudier les propriétés des isotopes rares, l’astrophysique nucléaire, les interactions fondamentales et les applications pour la société, notamment en médecine, en sécurité intérieure et dans l’industrie. Dans de tels accélérateurs, les décapants de charge jouent un rôle essentiel pour accélérer efficacement les faisceaux.
Cependant, le décapant de carbone conventionnel est le goulot d’étranglement, limitant la puissance du faisceau. Dans cette recherche, un film de lithium liquide d’une épaisseur de 10 à 20 micromètres (environ un dixième de l’épaisseur d’un cheveu humain), s’écoulant à plus de 50 mètres par seconde (180 kilomètres par heure ou 112 miles par heure) était stable formé dans la ligne de lumière de l’accélérateur au FRIB, une installation utilisateur du Bureau des sciences du Département de l’énergie (DOE) de l’Université d’État du Michigan.
Des faisceaux de xénon, d’argon et d’uranium ont été appliqués sur le film, et sa stabilité et sa capacité de décapage ont été mesurées. Les résultats ont montré que le film de lithium était un décapant d’ions lourds efficace même avec le faisceau d’uranium. Avec le succès d’une précédente expérience de démonstration à haute puissance au Laboratoire national d’Argonne du DOE, la recherche a montré pour la première fois que le décapant de charge au lithium liquide peut augmenter considérablement la puissance de l’accélérateur au-delà de la limite actuelle.
La recherche est publiée dans Lettres d’examen physique.
T. Kanemura et al, Démonstration expérimentale du jet de métal liquide à couche mince en tant que décapant de charge, Lettres d’examen physique (2022). DOI : 10.1103/PhysRevLett.128.212301