Metode til afkøling af et superledende acceleratorhulrum

Fermilab videnskabsmænd og ingeniører har opnået et skelsættende resultat i en løbende indsats for at designe og bygge kompakte, bærbare partikelacceleratorer. Vores gruppe demonstrerede med succes en ny, effektiv måde at køle superledende acceleratorkomponenter på, skære ned på hovedparten af ​​den traditionelle køleinfrastruktur, der er nødvendig for denne teknologi.

Vigtigheden af ​​dette fremskridt er tydelig, hvis du tilfældigvis går rundt på Fermilab-stedet. Du kan virkelig ikke gå glip af det:Partikelacceleratorer bygget til opdagelse er store maskiner. De strækker sig hundreder af meter, endda kilometer. De kræver også stor og kompleks infrastruktur, som begrænser deres anvendelse primært til videnskabelige forskningslaboratorier.

Og stadigvæk, partikelacceleratorer er meget nyttige værktøjer uden for videnskabelige forskningslaboratorier. De har applikationer inden for sikkerhed, medicin, fremstilling, og veje. Og deres effekt kunne være endnu større, hvis vi kunne gøre disse traditionelt gigantiske maskiner kompakte. Miniaturiser dem. Design højeffektacceleratorer, der kunne passe, bogstaveligt talt, inde bag på en lastbil.

Hos Fermilab, vi nyder sådanne praktiske fysiske udfordringer. Og i sidste måned, vores team tog udfordringen op, at opnå en stor milepæl i vores søgen efter at realisere kraftfulde, kompakte acceleratorer, der har indflydelse på vores hverdag. Kerneholdet omfattede Ram Dhuley, Michael Geelhoed, Sam Posen og Charles Thangaraj.

Ved at kombinere et ønske om praktisk med banebrydende videnskab, vores team demonstrerede med succes en ny, revolutionerende metode til afkøling af et superledende acceleratorhulrum uden at bruge flydende helium - kontraintuitivt for de fleste inden for acceleratorvidenskab.

Denne nye metode - baseret på en Fermilab-idé, der blev patenteret for fem år siden - bruger kryogene køleskabe, eller kryokølere, til fjernelse af den varme, der spredes af et superledende acceleratorhulrum. Ved at komprimere og udvide heliumgas over en regenerativ varmeveksler i en "lukket" cyklus, kryokølerne producerer køling uden at slippe helium ud. Denne lukkede cyklus drift af kryokølere gør vores system meget kompakt - mere end det standard flydende helium køleudstyr, der bruges af traditionelle acceleratorkaviteter.

Superledende hulrum er afgørende komponenter i partikelacceleratorer, fremdrive partikelstrålen til højere energier ved at give den et elektromagnetisk skub. Vi brugte et 650 megahertz niobiumhulrum, og vi så alle med stolthed de første vellykkede resultater leveret af vores nye metode:en acceleratorgradient på 6,6 millioner volt pr. meter. Det er allerede tilstrækkeligt til de applikationer, vi har i tankerne, og stadig, vi ved, at vi kan gøre det bedre.

Superledende hulrum, der bruges i store acceleratorer, afkøles normalt til omkring 2 kelvin, koldere end de 2,7 kelvin (minus 455 grader Fahrenheit) i det ydre rum. Den typiske måde at opnå dette på er ved at nedsænke hulrummene i flydende helium og pumpe på heliumet for at sænke dets tryk, og derfor dens temperatur. Alt dette kræver store og komplekse kryogene systemer - en faktor, der i høj grad begrænser portabiliteten og derfor de potentielle anvendelser af superledende acceleratorer i industrielle og andre miljøer.

Vores team brød denne barriere ved at realisere en teknik konceptualiseret af Fermilab-fysiker Bob Kephart, nu pensioneret. Den foreslåede teknik for at gøre superledende acceleratorer praktiske ved 1) at belægge et tyndt lag af et materiale kaldet niobiumtin på indersiden af ​​niobiumhulrummene, og 2) afkøling af de coatede hulrum ved hjælp af kryokølere via ledningsforbindelser, der forbinder de to. Opsætningen af ​​kryokøler-hulrum undlader et bad med kryogen væske og ethvert behov for en kryogen plante for at opnå superledning.

Demonstrationen viser også, hvordan denne metode kunne forenkle superledende acceleratorer og gøre dem tilgængelige for bredere behov ud over grundlæggende videnskab – bedre fortove, spildevandsrensning, sterilisering af medicinsk udstyr, og avanceret produktion.

At anvende de videnskabelige gennembrud hos Fermilab og transformere dem til at løse udfordringer uden for den grundlæggende videnskab involverer systematisk iværksættertænkning - at identificere en mulighed og stille og besvare en lang række spørgsmål for at validere muligheden. En stor værdi i alt dette er at konvertere DOE's investering i videnskab og teknologi til innovation, der kunne tillade nye industrier at dukke op.

Hos Fermilab, vi vil fortsætte med at anvende vores frontier-teknologier til nye applikationer ud over opdagelsesvidenskab. Dette store gennembrud er et spændende skridt i den retning, og vi vil fortsætte med at skubbe konvolutten.