Cryocooler afkøler et acceleratorhulrum

Partikelacceleratorer er lavet af strukturer kaldet hulrum, som giver energi til partikelstrålen, sparker den frem. En type hulrum er den superledende radiofrekvens, eller SRF, hul. Normalt lavet af niobium, SRF -hulrum kræver ekstrem kulde for at fungere. Et Fermilab-team udviklede en ny måde at køle SRF-hulrum på uden flydende helium. Det nye system er lettere at betjene og lettere at konstruere.

Elektronstråler kunne hjælpe med at rense vand og reparere veje. Barrieren er behovet for ultrakold flydende helium. For første gang, et team har afkølet et superledende acceleratorhulrum uden flydende helium. Udskiftning af flydende helium med plug-and-play-enheder kaldet kryokølere kan gøre SRF-teknologi tilgængelig for industrien. Energieffektive SRF-acceleratorer kan levere elektronstråler med høj gennemsnitlig effekt. Bjælkerne kunne styrke materialer, rekonstruere asfaltbelægning, rense spildevand, og mere.

Alle SRF-partikelacceleratorer bruger hidtil flydende helium til at opretholde de ekstremt kolde temperaturer, der er nødvendige for at opretholde supraledelse. Liquid-helium-drift kræver kompleks infrastruktur:et flydende anlæg, fordelingslinjer, gasgenvinding, rensesystemer, og hulrumskryomoduler, der kan modstå højt tryk. Der er også sikkerhedsrisici forbundet med driften af ​​det flydende helium. Selv om en sådan infrastruktur er passende for store forskningsacceleratorer, det kan være for komplekst og dyrt til industrielle applikationer.

For første gang, et team ved Fermilabs Illinois Accelerator Research Center har afkølet et accelererende hulrum til kryogene temperaturer uden brug af flydende helium. De opnåede dette ved at forbinde et hulrum til en kommercielt tilgængelig kryokøler, ved hjælp af en Fermilab-patenteret teknologi.

Tilslutning af hulrummet til kryokøleren var en betydelig udfordring, der krævede undersøgelse af forskellige materialer og design af tilpassede komponenter. Teamet producerede niobiumledningsringe og sluttede dem til hulrummet ved hjælp af elektronstrålesvejsning. De udviklede også niob-aluminium-samlinger, der tillod varme at strømme let fra hulrummet til kryokøleren. For at generere varme ind i hulrummet, holdet brugte en simpel plug-and-play radiofrekvensdriver, som i laboratorieacceleratorer.

Elektromagnetiske gradienter genereres inden for SRF -hulrum; stærkere gradienter giver strålen mere energi. Denne første kryogenfri operation nogensinde producerede en gradient på 0,5 MV/m på en enkeltcelle, 650-MHz niobiumhulrum. Fermilab -forskere planlægger snart at nå gradienter op til 10 MV/m ved at bruge kryokølere med højere kapacitet og udnytte andre nylige fremskridt inden for hulteknologi. Teamet undersøger anvendelsen af ​​konduktionskølingsteknologi til højere frekvenser, flercellede hulrum, og andre radiofrekvensstrukturer.