Sensores LGAD de diamante para fusão recebem €478.000 no SCIPP

O próximo obstáculo não é produzir plasmas ainda mais quentes, e sim ter olhos mais inteligentes a observá-los.

Pesquisadores na Califórnia apostam numa resposta ousada. Diamante cultivado em laboratório, lapidado em lâminas finas e interligado com precisão micrométrica, está a ser transformado num sensor resistente à radiação, capaz de operar onde outros falham. Um novo reforço de financiamento de €478.000, inserido num impulso mais amplo estadual e federal para a fusão, quer demonstrar que estes detectores conseguem medir o que acontece na borda de uma estrela em miniatura sem “queimar” no processo.

Porque é que o diamante virou, de repente, o sensor a bater

O silício construiu o mundo moderno dos detectores. Ele mede o tempo de impactos de partículas com grande refinamento e reconstrói trajectórias com precisão de micrómetros. Dentro de um dispositivo de fusão, porém, a sua vida útil é curta. Neutrões destroem a rede cristalina. Calor e campos eléctricos elevados empurram o material para lá das condições seguras de operação.

O diamante entra com um conjunto de vantagens mais robusto. Exibe um bandgap amplo, uma condutividade térmica gigantesca e um campo de ruptura que aguenta gradientes eléctricos intensos. As cargas deslocam-se rapidamente no material. Sobretudo, o diamante tolera níveis de radiação que incapacitam outros substratos. Por isso, físicos do Santa Cruz Institute for Particle Physics (SCIPP) mudaram o foco do silício para o cristal de carbono nas tarefas mais exigentes.

Propriedade	Silício	Diamante de grau detector
Bandgap (temperatura ambiente)	~1.12 eV	~5.45 eV
Condutividade térmica	~150 W/m·K	~2000 W/m·K
Campo de ruptura	~0.3 MV/cm	~10 MV/cm
Tolerância à radiação	Moderada	Alta
Potencial de temporização (classe LGAD)	~20–50 ps (maduro)	De dezenas a centenas de ps (em desenvolvimento)

"O projecto tem como meta qualificar o diamante como o único material sensor capaz de operar no impacto imediato de um núcleo de fusão, onde calor, neutrões e campos atingem o pico ao mesmo tempo."

Um impulso de €478.000 para criar olhos de nível reactor de fusão

O SCIPP garantiu €478.000 (cerca de US$ 555.000) para transformar diamante num Low-Gain Avalanche Diode (LGAD) capaz de cronometrar eventos nucleares com precisão extrema. LGADs são detectores finos e rápidos, com uma pequena camada interna de ganho. Em silício, eles alimentam a nova geração de rastreadores de tempo-de-voo em aceleradores de partículas. Em diamante, poderiam ser instalados a milímetros de um plasma de fusão e continuar a funcionar.

A equipa trabalha em parceria com a Advent Diamond, uma das poucas empresas que conseguem crescer diamante de grau detector em wafers e fazer o padrão necessário para operação em alta tensão. Protótipos iniciais indicam uma melhoria de uma ordem de grandeza na resistência à radiação face a dispositivos convencionais, mantendo uma temporização suficientemente nítida para distinguir rajadas abaixo de um nanossegundo.

"O financiamento está a aumentar porque a fusão já não é uma promessa distante. Desde 2022, disparos de ignição e novos programas público-privados colocaram o sector em modo de implementação."

A fusão está a tornar-se realidade - e precisa de diagnósticos melhores

Quando um tokamak ou um stellarator entra em regime, o plasma pode ultrapassar 150 milhões °C. Núcleos de deutério e trítio fundem-se, libertando neutrões de 14 MeV e uma tempestade de partículas carregadas. A estabilidade depende de realimentação rápida. Sensores têm de detectar perturbações enquanto se formam, acompanhar perfis de fluxo de neutrões e detalhar as condições de queima em microsegundos.

Hoje, muitos detectores ficam escondidos atrás de blindagens. Isso prolonga a sobrevivência, mas desfoca a imagem e introduz atrasos. Detectores de diamante poderiam aproximar-se mais da região activa e, ainda assim, resistir. O ganho seria dados mais limpos para algoritmos de controlo e operação mais segura em pulsos longos.

• O que os novos sensores vão medir: taxas e espectros locais de neutrões perto da primeira parede.
• Rajadas rápidas de modos localizados na borda e outras instabilidades.
• Uniformidade da queima e acumulação de “cinzas” durante operação sustentada.
• Doses e transientes de radiação dura que stressam materiais e ímanes.

O plano da Califórnia por trás do trabalho de laboratório

A Califórnia estruturou um pacote para empurrar a fusão da física para a engenharia. Vários campi da UC partilham um esforço de €8 milhões, ao longo de três anos, para montar uma “caixa de ferramentas” completa de monitorização e controlo em escala industrial. O SCIPP lidera a frente de sensores. A UC San Diego faz testes de stress de materiais em disparos extremos. A UCLA e a UC Irvine concentram-se em modelação de plasma e transporte. Neste outono, chegaram mais €5 milhões de Sacramento para prolongar o horizonte do programa.

Esse movimento soma-se a iniciativas nacionais. O Departamento de Energia dos EUA lançou hubs de fusão. O capital privado já despejou mais de €10 mil milhões em startups que perseguem caminhos tanto magnéticos como inerciais. Uma central de demonstração na Califórnia está esboçada para a década de 2040, desde que diagnósticos, materiais e trajectos regulatórios se alinhem.

Por dentro da tecnologia: o que um LGAD de diamante realmente faz

LGADs acrescentam uma camada de ganho levemente dopada que multiplica o sinal sem saturar. Em silício, entregam temporização na casa das dezenas de picossegundos para partículas de ionização mínima. Com diamante, a equação muda. O alto campo de ruptura permite polarizações agressivas. Portadores rápidos e baixo ruído prometem sinais limpos mesmo sob cargas de radiação severas.

Aqui, a meta não é apenas resistir. É carimbar o tempo com precisão em ambientes hostis. Isso exige ganho estável sob campos elevados, baixa corrente de fuga em temperaturas mais altas e metalização que suporte sputtering e grafitização sob bombardeamento de neutrões. Também requer encapsulamento que conduza sinais para fora de campos magnéticos intensos sem distorção.

"Apenas um punhado de empresas consegue fabricar diamante de grau detector, grande e uniforme. A profundidade da cadeia de fornecimento vai determinar a velocidade com que estes sensores chegam aos reactores."

O que pode dar errado - e como a equipa está a enfrentar

Mesmo no diamante, o dano por radiação continua a acumular-se. Neutrões formam centros de defeito que aprisionam carga e, com o tempo, reduzem o ganho. O projecto mapeia esse dano em função da dose e da temperatura e, em seguida, ajusta pontos de operação para estender a vida útil. Outro problema é a uniformidade ao longo do wafer. Diamante crescido pode apresentar densidades de defeitos variáveis. Isso leva engenheiros a apostar em controlo de qualidade rigoroso e em “dies” menores para posições críticas.

A adesão dos eléctrodos a altas temperaturas também é difícil. Pilhas metálicas precisam aguentar ciclos térmicos e campos intensos sem descolar. Por fim, há o custo: diamante de grau detector é caro. No curto prazo, o uso faz mais sentido em posições de alto valor, próximas do plasma, enquanto sensores convencionais cobrem a periferia.

Porque isto importa para além das instalações de fusão

A mesma robustez de medição pode ir para o espaço. Órbitas de alta radiação, como o sistema de Júpiter ou os cinturões de Van Allen da Terra, castigam a electrónica. Detectores de diamante podem registar tempestades de partículas e ajudar a proteger cargas úteis. Protótipos embalados também são atractivos para salvaguardas nucleares, fissão avançada e radiografia de flash de alta energia, onde as taxas de dose disparam.

Sinais a acompanhar nos próximos dois anos

• Resolução temporal sob dose: os LGADs de diamante conseguem manter-se em dezenas de picossegundos após forte exposição a neutrões?
• Estabilidade de polarização: os dispositivos operam em campos de vários megavolts por centímetro sem ruptura em condições semelhantes às de um reactor?
• Rendimento de wafer: substratos uniformes de grau detector com 10,2–15,2 cm (4–6 polegadas) são viáveis em escala?
• Testes de integração: desempenho dentro de uma porta de tokamak, com ruído electromagnético real e gradientes térmicos.

Contexto extra para quem quer os detalhes técnicos

LGAD significa Low-Gain Avalanche Diode. É um sensor de estado sólido com um pico de campo eléctrico “projectado” para multiplicar portadores de carga por um factor de cerca de 5–20. Esse ganho moderado melhora a temporização sem o ruído extremo de fotodíodos de avalanche completos. Em fusão, temporização é crucial porque instabilidades crescem depressa. Se um detector consegue marcar neutrões e fragmentos carregados com precisão abaixo de um nanossegundo, sistemas de controlo podem accionar mitigação antes de uma disrupção se expandir.

A perda de energia não ionizante (NIEL) é o canal de dano que assombra sensores em campos de neutrões. Ela desloca átomos dos seus sítios na rede, criando armadilhas. Materiais com alta energia de deslocamento e ligações fortes, como o diamante, acumulam dano mais lentamente. Ainda assim, a calibração deriva com o tempo. Por isso, as equipas incorporam calibração online com pulsos internos e fontes de referência para manter a sensibilidade estável durante pulsos longos.

Para visualizar de forma concreta, imagine uma pastilha de LGAD de diamante com algumas dezenas de micrómetros de espessura, ligada a um suporte cerâmico, polarizada em alta tensão e colocada logo atrás da primeira parede de um tokamak. Um neutrão de 14 MeV provoca o recuo de um núcleo de carbono. Esse recuo deposita carga. A camada de ganho amplifica o sinal. Electrónica rápida carimba o tempo do evento e envia o dado para um controlador preditivo baseado em modelo, que ajusta campos magnéticos em tempo real. Menos surpresas, menos “quenches”, operações mais confiáveis.

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