Ledningskølet accelererende hulrum viser sig gennemførligt til kommercielle applikationer

Prototype af hulrummet

Systemet designet af teamet inkorporerede adskillige state-of-the-art fremskridt, såvel som et par nye. For det første havde partikelacceleratorens hulrumsdesign, der blev arbejdet på i Jefferson Lab, nogle specielle funktioner.

Som de fleste SRF-partikelacceleratorhulrum var den lavet af et materiale kaldet niobium. Niobium bliver superledende ved temperaturer nær det absolutte nulpunkt. Imidlertid havde denne prototype hulrum et lag af et specielt niobium-tin-materiale (Nb₃ Sn) tilføjet til dens indvendige overflade. Niobium-tin bliver superledende ved en højere temperatur end rent niobium. Brugen af ​​dette materiale betød, at acceleratorhulrummet kunne fungere effektivt ved mere end det dobbelte af de lave temperaturer, der kræves for almindelig niob – ud over 4 Kelvin.

Ydersiden af ​​prototypen af ​​partikelacceleratorens hulrumsdesign fik også særlig opmærksomhed. Den fik først et tyndt lag (2 mm) kobberbeklædning. Den blev derefter besat med tre kobberfaner, hvor kryokølersystemerne kunne fastgøres til hulrummet. Til sidst fik den et tykt lag kobberbeklædning (5 mm). På samme måde som i en kogegryde hjælper beklædningen, at hulrummet nemt overføres varme.

"Vi byggede dybest set et termisk kobbertæppe på ydersiden af ​​hulrummet ved en kombination af kold spray og galvanisering. Dette giver en høj varmeledningsevne, så den varme, der genereres på den indre overflade, kan bevæge sig til den ydre overflade og derefter mod kryokøleren, " Forklarede Ciovati.

Et prototypehulrum blev først testet på Jefferson Lab i et flydende heliumbad ved 4,3 Kelvin (-452°F). Dette svarer til den præstationstest, som et accelererende hulrum ville modtage, før det blev installeret i en forskningsmaskine. Testene etablerer en baseline for forventet ydeevne.

Sæt det hele sammen

Et tilsvarende udstyret prototypehulrum blev derefter sendt til General Atomics for dets tests i en prototype vandret kryostat, svarende til et kryomodul brugt i SRF-baserede partikelacceleratorer.

"Først blev kryostaten evakueret for luft, og derefter blev hulrummet afkølet under dets superledende tærskel og exciteret med et lille RF-signal for at demonstrere den elektriske accelerationsgradient," sagde Packard. "Med diagnostikken viste vi, at den ledningskølede kavitets ydeevne opnåede de samme specifikationer som de tidligere flydende helium-tests udført på Jefferson Lab."

Mens den blev afkølet til ca. 4 Kelvin af kun tre tilsluttede kommercielle kryokølere, opnåede komponenten et maksimalt magnetfelt på overfladen på 50 milliTesla, det højeste nogensinde opnået i denne type opsætning, samtidig med at den leverede stabil drift.

Resultatet opfylder kravene til en accelerator, der er i stand til at producere elektroner med en energiforstærkning på 1 MeV (1 million elektron-Volt), som kunne finde anvendelse i miljøsaneringsapplikationer. Elektronstråler i nærheden af ​​denne energi er nyttige til andre industrielle processer, såsom materialebehandling eller billeddannelse.

"Elektronstråler er nyttige i en række kommercielle applikationer. Denne kompakte superledende acceleratorteknologi har et betydeligt potentiale for miljøsanering, et eksempel er vandrensning," sagde Packard. "Ubehandlet vand kan indeholde usikre koncentrationer af kemikalier såsom lægemidler eller PFAS, samt skadelige patogener såsom E. coli eller salmonella. Elektronstråler er meget effektive til at rive fra hinanden og nedbryde komplekse molekyler og organiske stoffer til mere basale partikler, der er mindre truer menneskers sundhed og miljøet."

"De acceleratorer, som vi forestiller os, er i stand til at levere mellem en og 10 MeV," sagde Ciovati. "Denne prototype er stadig en smule mindre end det, men den viser, at dette banebrydende design, med evnen til at afkøle hulrummene med disse kommercielle enheder, er gennemførligt."

Ved at designe, bygge og drive prototype-partikelacceleratoren med en kombination af industrifremstillede dele og kommercielle ledende kryokølere, har de to team taget et stort skridt i retning af at gøre effektive, kompakte og pålidelige SRF-acceleratorer til en realitet for kommercielle applikationer.

"Der var en del involvering med de industrielle partnere - fra fremstillingen af ​​hulrum og produktionen til den endelige test. Jeg var meget imponeret og tilfreds med mængden af ​​teknisk ekspertise, viden og engagement, som jeg fandt hos alle de industrielle partnere, jeg har arbejdet med," sagde Ciovati.

Gå fremad

Næste skridt er at fokusere på en kombination af designforbedringer og yderligere test.

"Vi vil evaluere hulrum med højere energi, der muliggør dybere penetration af elektronstrålen i materialer," sagde Packard. "Vi er også fokuseret på at opbygge det komplette system ved at integrere kryomodulet med yderligere undersystemer, samt at undersøge måder at gøre systemet billigere på."

Flere oplysninger: G. Ciovati et al., Udvikling af en prototype af superledende radiofrekvenshulrum til ledningskølede acceleratorer, Physical Review Accelerators and Beams (2023). DOI:10.1103/PhysRevAccelBeams.26.044701

Leveret af Thomas Jefferson National Accelerator Facility