Partikelacceleratorer är gjorda av strukturer som kallas håligheter, som ger partikelstrålen energi, sparkar den framåt. En typ av hålighet är den superledande radiofrekvensen, eller SRF, hålighet. Vanligtvis gjord av niob, SRF -håligheter kräver extrem kyla för att fungera. Ett Fermilab -team utvecklade ett nytt sätt att kyla SRF -hålrum utan flytande helium. Det nya systemet är lättare att använda och enklare att konstruera.

Elektronstrålar kan hjälpa till att rengöra vatten och reparera vägar. Barriären är behovet av ultrakallt flytande helium. För första gången, ett team har kylt ett supraledande acceleratorhålrum utan flytande helium. Att ersätta flytande helium med plug-and-play-enheter som kallas kryokylare kan göra SRF-teknik tillgänglig för industrin. Energieffektiva SRF-acceleratorer kan ge elektronstrålar med hög genomsnittlig effekt. Bjälkarna kan förstärka material, rekonstruera asfaltbeläggning, rena avloppsvatten, och mer.

Alla SRF-partikelacceleratorer använder hittills flytande helium för att bibehålla de extremt kalla temperaturer som är nödvändiga för att upprätthålla supraledning. Flytande-helium-drift kräver komplex infrastruktur:en kondenseringsanläggning, distributionslinjer, gasåtervinning, reningssystem, och hålrumskryomoduler som tål högt tryck. Det finns också säkerhetsrisker i samband med drift av flytande helium. Även om en sådan infrastruktur är lämplig för storskaliga forskningsacceleratorer, det kan vara för komplext och kostsamt för industriella applikationer.

För första gången, ett team vid Fermilabs Illinois Accelerator Research Center har kylt ett accelererande hålrum till kryogena temperaturer utan användning av flytande helium. De uppnådde detta genom att ansluta en hålighet till en kommersiellt tillgänglig kryokylare, med en Fermilab-patenterad teknik.

Att ansluta hålrummet till kryokylaren var en betydande utmaning som krävde att undersöka olika material och designa anpassade komponenter. Teamet producerade niobiumledningsringar och kopplade dem till hålrummet med hjälp av elektronstrålesvetsning. De utvecklade också niob-aluminiumfogar som tillät värme att enkelt flöda från kaviteten till kryokylaren. För att generera värme i hålrummet, laget använde en enkel plug-and-play radiofrekvensdrivrutin, som i laboratorieacceleratorer.

Elektromagnetiska gradienter genereras inom SRF -håligheter; starkare lutningar ger strålen mer energi. Denna första kryogenfria operation någonsin gav en gradient på 0,5 MV/m på en enda cell, 650-MHz niobiumhålighet. Fermilab -forskare planerar att snart uppnå gradienter upp till 10 MV/m genom att använda kryokylare med högre kapacitet och dra nytta av andra senaste framsteg inom kavitetsteknik. Teamet utforskar tillämpningen av ledningskylningsteknik på högre frekvenser, flercelliga håligheter, och andra radiofrekvensstrukturer.