Flydende heliumfrie SRF-hulrum kan gøre industrielle applikationer praktiske

Byggestenene i superledende acceleratorer er superledende radiofrekvens (SRF) hulrum fremstillet primært af niob, der kombineres i et fartøj og bades i flydende helium for at nå superledende temperaturer. Mens et stort flydende heliumkryogenanlæg kan være praktisk for en større forskningsfacilitet, det kan være en barriere for nye anvendelser af denne acceleratorteknologi.

Nu, fremskridt inden for hulrumsteknologi, materialer og cryocooler -udvikling kan sænke denne barriere for industrielle og medicinske anvendelser af SRF -teknologi. Efter at have gennemført mere end 5, 000 hulprøvninger i det vertikale testområde (VTA) ved hjælp af flydende helium, i år afkølede og testede et team fra SRF Instituttets R &D -afdeling ved Jefferson Lab for første gang et SRF -hulrum i en af ​​VTA's lodrette kryostater uden flydende helium.

Hvordan blev dette opnået? En række igangværende initiativer kom sammen for at gøre dette muligt.

Den første kritiske komponent er brugen af ​​en kryokøler til afkøling af SRF -hulrummet. En kryokøler er et lukket køleskab, der kun kræver et lille volumen heliumgas og har en række fordele-at være let at betjene, kompakt, pålidelig og en kommerciel hyldevare. Med kryokølere, der allerede bruges til at afkøle superledende magneter i magnetiske resonansbilleddannende (MRI) maskiner på hospitaler, og med den nuværende industrielle interesse i acceleratorteknologi vokser, Jefferson Lab var motiveret til at videreudvikle SRF -teknologi til at imødekomme dette behov.

Nye belægninger, Nye muligheder

Det næste element var fremskridt i brugen af ​​niobium-tinforbindelsen Nb ₃ Sn, som har en højere superledende overgangstemperatur, til SRF -hulrum. Jefferson Lab har udviklet højtydende Nb ₃ Sn hulrum siden 2013, baseret på Grigory Eremeevs arbejde, der modtog en 2016 Department of Energy Early Career Award. En vigtig fordel ved disse niobium-tinhulrum er, at de forbliver superledende ved to gange de temperaturer, der kræves af rene niob-accelerationshulrum, og kan fungere mere effektivt ved en højere temperatur end Nb. Brug af denne teknologi kan give betydelige driftsomkostningsbesparelser for fremtidige acceleratorer. Forskning ved Jefferson Lab har resulteret i fremragende kvalitet Nb ₃ Sn tynde filmbelægninger på flere forskellige SRF hulrumstyper. Et specifikt 1,5 GHz bulk Nb enkeltcellet hulrum, hvorpå en Nb ₃ Sn film blev dyrket, blev valgt til integration med en kryokøler.

Ved at bruge en cryocooler, hulrumsoverfladen ikke afkøles direkte af flydende helium, gør hulrummet mere modtageligt for termisk nedbrydning, især hvis der er fejl. Derfor var den ydre overflade af hulrummet belagt med et par millimeter tykt, kobberlag med høj renhed. Kobber (Cu), som har højere varmeledningsevne end Nb, forbedrer varmeoverførslen til kryokøleren. Dette blev opnået ved at have Cu -laget deponeret på hulrummet ved hjælp af standardmetoder hos en kommerciel sælger.

Jefferson Lab -teamet designede og byggede derefter et teststativ, der holdt hulrummet og kryokøleren, så det passede ind i en af ​​de eksisterende VTA -kryostater for at tjene som et vakuumbeholder til at udføre testen. RF -testresultaterne var tæt på det, der var blevet målt i flydende helium. "Vi var i stand til at opnå et top overflademagnetisk felt på 29 mT, svarende til en accelererende gradient på 6,5 MV/m, og vi kunne betjene hulrummet ved 5 W spredt effekt uden termisk ustabilitet, "siger Gigi Ciovati, en acceleratorforsker, der udfører denne forskning. Disse resultater ligner det, der for nylig blev opnået hos Fermilab ved hjælp af en anden konduktionskøling.

Industrialisering af SRF -teknologi

Hvilken betydning har dette arbejde? Mens vedligeholdelse og drift af et flydende heliumkryoplant til drift af SRF -hulrum er standard på et nationalt laboratorium som Jefferson Lab, for virksomheder, der forfølger industrielle eller medicinske anvendelser af effektiv SRF -teknologi, er det en betydelig barriere. En sådan applikation er en lavenergi, elektroner med høj effekt til behandling af spildevand eller røggasser. Allerede Jefferson Lab designede en sådan accelerator baseret på et ledningskølet SRF-hulrum [G. Ciovati et al., Fys. Pastor Accel. Bjælker 21, 091601 (2018)], og de eksperimentelle resultater opnået både hos Jefferson Lab og Fermilab satte designet på en langt stærkere fod.

"Det næste trin, i løbet af de næste to et halvt år, er at demonstrere, at vi kan opnå et topoverfladefelt svarende til en energiforøgelse på 1 MeV, den strålenergi, der kræves til acceleratoren til miljøsanering, som vi har designet, i en ledningskølet SRF -hulrum inde i en vandret kryomodul, "siger Ciovati, der modtog et tilskud fra DOE Accelerator Stewardship -programmet til at udføre dette arbejde. Industrien vil være stærkt involveret i projektet, med den sidste RF -test udført på General Atomics, Jefferson Labs industrielle partner.