Fra kalkuner til nøglefærdige

Sidste uge, millioner af amerikanere pakkede en krympeindpakket kalkun ud til Thanksgiving. Hvis så, de skylder takket være elektronstråler, hvilket gjorde krympeindpakningen mulig. Men elektronstrålen kan meget mere:Den kan sterilisere medicinsk udstyr, rense spildevand og printe metaldele. Industrielle acceleratorer, der genererer disse elektronstråler, udvider sig hurtigt. Illinois Accelerator Research Center (IARC) er på en mission for at bygge en højeffekt, kompakt, superledende elektronstråleaccelerator, der vil tjene alle disse formål.

Højeffekt lineære elektronacceleratorer er typisk lavet af strukturer kaldet hulrum, som giver energi til partikelstrålen, skubbe den frem. Et sådant hulrum er den superledende radiofrekvens, eller SRF, hul, som kræver ekstremt kolde temperaturer for at fungere. Disse maskiner bruger flydende helium til at opretholde den nødvendige temperatur for at opretholde superledning. Drift med flydende helium kræver kompleks infrastruktur:et flydende anlæg, distributionslinjer, gasgenvinding, rensesystemer, og hulrumskryomoduler, der kan modstå højt tryk. Selvom en sådan infrastruktur er velegnet til store forskningsacceleratorer, det kan være for komplekst og dyrt til industrielle applikationer. Barrieren er behovet for ultrakoldt flydende helium.

Med Fermilabs aldrig-sige-umulige ånd, vores team hos IARC har brudt denne barriere. Vi har for første gang afkølet et aktivt radiofrekvenshulrum til kryogene temperaturer uden brug af flydende helium. Vi opnåede dette ved at forbinde et hulrum til en kommercielt tilgængelig kryokøler, ved hjælp af en Fermilab-patenteret teknologi.

Som med ethvert spændende eksperiment, at forbinde hulrummet med kryokøleren var en betydelig opgave, der krævede at undersøge forskellige materialer og designe brugerdefinerede komponenter. Vores team producerede niobiumledningsringe og forbandt dem til hulrumsskallen ved hjælp af elektronstrålesvejsning. De udviklede også niobium-aluminiumsamlinger, der tillod varmen at flyde 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 i SRF-hulrum; stærkere gradienter giver mere energi til strålen. Denne første kryogenfri operation nogensinde producerede en gradient på 0,5 megavolt pr. meter på en enkeltcelle, 650 MHz niobium hulrum. Vi planlægger at opnå gradienter op til 10 megavolt pr. meter ved at bruge kryokølere med højere kapacitet og udnytte andre nylige fremskridt inden for hulrumsteknologi. Holdet udforsker anvendelsen af ​​ledningskølingsteknologi til højere frekvenser, flercellede hulrum, og andre radiofrekvensstrukturer.

Udskiftning af flydende helium med plug-and-play kryokølere gør SRF acceleratorer tilgængelige for industrien ved at gøre acceleratorer til enkle, nøglefærdige systemer.