Fermilabs forskare och ingenjörer har uppnått ett milstolpsresultat i ett pågående arbete med att designa och bygga kompakta, bärbara partikelacceleratorer. Vår grupp visade framgångsrikt en ny, effektivt sätt att kyla supraledande acceleratorkomponenter, minska på huvuddelen av den traditionella kylinfrastrukturen som behövs för denna teknik.

Betydelsen av detta framsteg är uppenbar om du råkar gå runt på Fermilab -webbplatsen. Du kan verkligen inte missa det:Partikelacceleratorer som är byggda för upptäckt är stora maskiner. De sträcker sig i hundratals meter, jämna kilometer. De kräver också stor och komplex infrastruktur, som begränsar deras användning främst till vetenskapliga forskningslaboratorier.

Och ändå, partikelacceleratorer är mycket användbara verktyg utanför vetenskapliga forskningslaboratorier. De har applikationer inom säkerhet, medicin, tillverkning, och vägar. Och deras inverkan kan bli ännu större om vi kunde göra dessa traditionellt gigantiska maskiner kompakta. Miniatyrisera dem. Designa högeffektsacceleratorer som passar, bokstavligen, på baksidan av en lastbil.

På Fermilab, vi njuter av sådana praktiska fysikutmaningar. Och förra månaden, vårt team antog utmaningen, uppnå en viktig milstolpe i vår strävan att förverkliga kraftfulla, kompakta acceleratorer som påverkar vår vardag. Kärnteamet inkluderade Ram Dhuley, Michael Geelhoed, Sam Posen och Charles Thangaraj.

Genom att kombinera en prakt för praktiska med banbrytande vetenskap, vårt team visade framgångsrikt en ny, revolutionerande metod för kylning av ett supraledande acceleratorhålrum utan att använda flytande helium - kontraintuitivt för de flesta inom acceleratorvetenskap.

Denna nya metod - baserad på en Fermilab -idé som patenterades för fem år sedan - använder kryogena kylskåp, eller kryokylare, för att avlägsna värmen som avges av en supraledande acceleratorhålighet. Genom att komprimera och expandera heliumgas över en regenerativ värmeväxlare i en "stängd" cykel, kryokylarna producerar kylning utan att släppa ut heliumet. Denna slutna drift av kryokylare gör vårt system mycket kompakt-mer än standardutrustningen för flytande heliumkylning som används av traditionella acceleratorhålor.

Superledande hålrum är avgörande komponenter i partikelacceleratorer, driver partikelstrålen till högre energier genom att ge den ett elektromagnetiskt tryck. Vi använde en 650 megahertz niobiumhålighet, och vi såg alla med stolthet på de första framgångsrika resultaten med vår nya metod:en acceleratorgradient på 6,6 miljoner volt per meter. Det är redan tillräckligt för de applikationer vi har i åtanke, och fortfarande, vi vet att vi kan göra det bättre.

Superledande hålrum som används i stora acceleratorer kyls vanligtvis till cirka 2 kelvin, kallare än 2,7 kelvin (minus 455 grader Fahrenheit) i yttre rymden. Det typiska sättet att uppnå detta är genom att sänka hålrummen i flytande helium och pumpa på helium för att sänka trycket, och därför dess temperatur. Allt detta kräver stora och komplexa kryogena system - en faktor som kraftigt begränsar bärbarheten och därmed de potentiella tillämpningarna av supraledande acceleratorer i industriella och andra miljöer.

Vårt team bröt denna barriär genom att framgångsrikt förverkliga en teknik som konceptualiserades av Fermilab -fysikern Bob Kephart, nu pensionerad. Tekniken som föreslås för att göra supraledande acceleratorer praktisk genom att 1) ​​belägga ett tunt lager av ett material som kallas niob-tenn på insidan av niobkaviteterna, och 2) kylning av de belagda hålrummen med användning av kryokylare via ledningslänkar som förbinder de två. Cryocooler-cavity-installationen avger ett bad med kryogen vätska och eventuellt behov av en kryogen växt för att uppnå supraledning.

Demonstrationen visar också hur denna metod kan förenkla supraledande acceleratorer och göra dem tillgängliga för bredare behov utöver grundvetenskap - bättre trottoarer, avloppsrening, sterilisering av medicintekniska produkter, och avancerad tillverkning.

Att tillämpa de vetenskapliga genombrotten på Fermilab och förvandla dem till att lösa utmaningar utanför grundvetenskap innebär systematiskt entreprenörskapstänkande - identifiera en möjlighet och ställa och svara på en mängd frågor för att validera möjligheten. Ett stort värde i allt detta är att omvandla DOE:s investeringar i vetenskap och teknik till innovation som kan tillåta nya industrier att växa fram.

På Fermilab, vi kommer att fortsätta att tillämpa vår gränsteknologi för nya applikationer bortom upptäcktsvetenskap. Detta stora genombrott är ett spännande steg i den riktningen, och vi kommer att fortsätta trycka på kuvertet.