Förra veckan, miljontals amerikaner packade upp en krymplindad kalkon till Thanksgiving. Om så är fallet, de är skyldiga tack vare elektronstrålar, vilket gjorde krympförpackningen möjlig. Men elektronstrålen kan göra mycket mer:den kan sterilisera medicinsk utrustning, behandla avloppsvatten och skriva ut metalldelar. Industriella acceleratorer som genererar dessa elektronstrålar expanderar snabbt. Illinois Accelerator Research Center (IARC) är på uppdrag att bygga en kraftfull, kompakt, supraledande elektronstråleaccelerator som kommer att tjäna alla dessa syften.

Linjärelektronacceleratorer med hög effekt är vanligtvis gjorda av strukturer som kallas kaviteter, som ger energi till partikelstrålen, skjuter den framåt. En sådan kavitet är den supraledande radiofrekvensen, eller SRF, hålighet, som kräver extremt kalla temperaturer för att fungera. Dessa maskiner använder flytande helium för att upprätthålla den temperatur som krävs för att upprätthålla supraledning. Drift med flytande helium kräver komplex infrastruktur:en kondensationsanläggning, distributionslinjer, gasåtervinning, reningssystem, och hålrumskryomoduler som tål högt tryck. Även om en sådan infrastruktur är lämplig för storskaliga forskningsacceleratorer, det kan vara för komplicerat och kostsamt för industriella tillämpningar. Barriären är behovet av ultrakall flytande helium.

Med Fermilabs aldrig-säg-omöjliga anda, vårt team på IARC har brutit denna barriär. Vi har för första gången kylt ett aktivt radiofrekvenshålrum till kryogena temperaturer utan användning av flytande helium. Vi uppnådde detta genom att ansluta en kavitet till en kommersiellt tillgänglig kryokylare, använder en Fermilab-patenterad teknologi.

Som med alla spännande experiment, att ansluta kaviteten till kryokylaren var en betydande uppgift som krävde att undersöka olika material och designa anpassade komponenter. Vårt team producerade ledningsringar av niob och kopplade dem till kavitetens skal med elektronstrålesvetsning. De utvecklade också niob-aluminiumfogar som gjorde att värme lätt strömmade från håligheten till kryokylaren. För att generera värme in i kaviteten, teamet använde en enkel plug-and-play-radiofrekvensdrivrutin, som i laboratorieacceleratorer.

Elektromagnetiska gradienter genereras inuti SRF-kaviteter; starkare gradienter ger mer energi till strålen. Denna första kryogenfria operation någonsin producerade en gradient på 0,5 megavolt per meter på en encell, 650 MHz niobhålighet. Vi planerar att uppnå gradienter upp till 10 megavolt per meter genom att använda kryokylare med högre kapacitet och dra nytta av andra nya framsteg inom kavitetsteknologi. Teamet undersöker tillämpningen av ledningskylningsteknik på högre frekvenser, flercellshåligheter, och andra radiofrekvensstrukturer.

Att ersätta flytande helium med plug-and-play kryokylare gör SRF-acceleratorer tillgängliga för industrin genom att göra acceleratorer till enkla, nyckelfärdiga system.