Las mediciones directas de reacciones nucleares a energías estelares chocan con dos muros: secciones eficaces extremadamente pequeñas y el fondo cósmico. Laboratorios subterráneos como Jinping suprimen el fondo, pero queda el problema del blanco. Las celdas de gas convencionales están cerradas con láminas que roban energía al haz y la dispersan. Los blancos sin ventanas resuelven esto, pero con corrientes de miliamperios surgen nuevas dificultades: el gas debe bombearse y recircularse rápidamente, y el haz calienta el gas y altera su densidad. Junto a este trabajo existen otros desarrollos de blancos sin ventanas, como los sistemas de recirculación de LUNA y los chorros de gas de JENSA, pero todos están diseñados para corrientes menores o carecen de un conjunto completo de diagnóstico bajo el haz.
Los ingenieros ensamblaron un sistema de tres etapas de bombeo diferencial: la primera con bombas Roots, la segunda y la tercera con bombas turbomoleculares. El gas del blanco se extrae, se purifica mediante condensación y adsorbentes de zeolita, y se devuelve. La presión en la cámara la mantiene un regulador MKS 250. Para medir el flujo de partículas se construyó un calorímetro de cobre con cuatro calentadores y tres termopares; opera en modo de compensación de potencia, es decir, mantiene una temperatura constante reduciendo el calentamiento cuando se aplica el haz. El espesor del blanco se controla con un tubo móvil que escanea a lo largo del haz y detecta partículas dispersadas elásticamente dos veces: primero en el gas y luego en una lámina delgada de carbono. Los cálculos del flujo de gas se realizaron con un modelo que incluye deslizamiento en las paredes para bajas presiones.
A presiones de 1, 2 y 3 mbar, el sistema mantuvo una estabilidad dentro del 1% durante ocho horas, y la presión en el lado del acelerador permaneció en torno a 10⁻⁴ Pa. El modelo de flujo de gas, con un caudal de 1052 cm³/min, predijo una no uniformidad de presión a lo largo del haz de no más del 1,6%. El calorímetro se probó con los calentadores: el modelo reprodujo tanto los transitorios como las temperaturas estacionarias. Se encontró que la sensibilidad al haz y a los calentadores difiere en un 6,2%, y esta corrección debe tenerse en cuenta. Con un haz de protones de 300–310 keV se midió la reacción ¹⁴N(p,γ)¹⁵O y se observó cómo la resonancia se desplaza a lo largo del blanco. La reacción ¹²C(p,γ)¹³N mostró que el calentamiento por el haz reduce la densidad del gas: el factor de calentamiento disminuye al aumentar la potencia, hasta 0,75 a 800 mW/cm.
Este trabajo se distingue de otros similares porque, por primera vez para un blanco sin ventanas con corrientes de miliamperios, se combinan tres elementos: circulación estable de gas, un calorímetro independiente del estado de carga del haz y un monitor de espesor sensible a la posición. Antes, estos sistemas o trabajaban con corrientes menores o no tenían un diagnóstico completo bajo el haz. Ahora es posible medir directamente el flujo de partículas y la densidad local del gas durante la irradiación, lo cual es crítico para secciones eficaces precisas.
El sistema está listo para mediciones con gases isotópicos como ³He y ²²Ne enriquecido. La circulación cerrada ahorrará gases costosos, y el calorímetro y el monitor de espesor proporcionarán los datos que faltan para la normalización absoluta. En el futuro, esto permitirá descender a energías más bajas en las reacciones ³He(α,γ)⁷Be y ²²Ne(α,n)²⁵Mg, que son importantes para los neutrinos solares y las fuentes de neutrones en estrellas masivas.
Los resultados influirán en la astrofísica nuclear, especialmente en las mediciones de reacciones que involucran núcleos ligeros. La tecnología de aceleradores obtendrá un ejemplo de operación fiable de blancos sin ventanas a altas corrientes.
El siguiente paso es calibrar el calorímetro con un haz real y comparar sus lecturas con el monitor de espesor. Luego se podrá pasar a las mediciones de ³He(α,γ)⁷Be en el laboratorio subterráneo.
Para la astrofísica nuclear, el problema clave no resuelto es cómo medir secciones eficaces a energías por debajo de la barrera coulombiana, donde la señal se hunde en el fondo. Este trabajo resuelve parte del problema al proporcionar una herramienta para el control preciso del blanco y del haz, pero no aborda el fondo proveniente del propio blanco y del detector.
El calorímetro mide la potencia del haz con precisión de décimas de vatio, aunque el haz transporta cientos de vatios. Es como notar que una tetera se ha enfriado medio grado cuando se le añade una cucharada de agua fría.