Byggstenarna i supraledande acceleratorer är supraledande radiofrekvenskaviteter (SRF) gjorda främst av niob som kombineras i ett kärl och badas i flytande helium för att nå supraledande temperaturer. Medan en stor kryogenanläggning för flytande helium kan vara praktisk för en stor forskningsanläggning, det kan vara ett hinder för nya tillämpningar av denna acceleratorteknik.

Nu, framsteg inom kavitetsteknik, utveckling av material och kryokylare kan sänka denna barriär för industriella och medicinska tillämpningar av SRF-teknik. Efter att ha slutfört mer än 5, 000 kavitetstester i det vertikala testområdet (VTA) med flytande helium, i år kylde och testade ett team från SRF Institutes FoU-avdelning vid Jefferson Lab en SRF-hålighet för första gången i en av VTA:s vertikala kryostater utan flytande helium.

Hur åstadkoms detta? Ett antal pågående initiativ samlades för att göra detta möjligt.

Den första kritiska komponenten är användningen av en kryokylare för att kyla SRF-kaviteten. En kryokylare är ett kylskåp med sluten cykel som bara kräver en liten volym heliumgas och erbjuder ett antal fördelar – att det är lätt att använda, kompakt, pålitlig och en kommersiell hyllvara. Med kryokylare som redan används för att kyla supraledande magneter i magnetisk resonanstomografi (MRI) på sjukhus, och med det nuvarande industriella intresset för acceleratorteknik växande, Jefferson Lab var motiverad att vidareutveckla SRF-teknik för att möta detta behov.

Nya beläggningar, Nya funktioner

Nästa element var framsteg i användningen av niob-tennföreningen Nb ₃ Sn, som har en högre supraledande övergångstemperatur, för SRF-hålrum. Jefferson Lab har utvecklat högpresterande Nb ₃ Sn-håligheter sedan 2013, baserat på verk av Grigory Eremeev, som fick en 2016 Department of Energy Early Career Award. En viktig fördel med dessa niob-tennhåligheter är att de förblir supraledande vid två gånger de temperaturer som krävs av rena niobaccelererande kaviteter, och kan arbeta mer effektivt vid en högre temperatur än Nb. Att använda denna teknik kan ge betydande driftskostnadsbesparingar för framtida acceleratorer. Forskning vid Jefferson Lab har resulterat i utmärkt kvalitet Nb ₃ Sn tunnfilmsbeläggningar på flera olika SRF-hålrumstyper. En specifik 1,5 GHz bulk Nb encellskavitet, på vilken en Nb ₃ Sn film odlades, valdes för integration med en kryokylare.

Genom att använda en kryokylare, kavitetsytan kyls inte direkt av flytande helium, göra kaviteten mer mottaglig för termisk nedbrytning, speciellt om det finns defekter. Därför var den yttre ytan av kaviteten belagd med några millimeter tjocka, kopparskikt med hög renhet. koppar (Cu), som har högre värmeledningsförmåga än Nb, förbättrar värmeöverföringen till kryokylaren. Detta uppnåddes genom att Cu-skiktet deponerades på kaviteten med användning av standardmetoder hos en kommersiell leverantör.

Jefferson Lab-teamet designade och byggde sedan ett testställ som innehöll hålrummet och kryokylaren för att passa in i en av de befintliga VTA-kryostaterna för att fungera som ett vakuumkärl för att genomföra testet. RF-testresultaten var nära vad som hade uppmätts i flytande helium. "Vi kunde uppnå ett toppmagnetiskt fält på ytan på 29 mT, motsvarande en accelerationsgradient på 6,5 MV/m, och vi kunde driva kaviteten med 5 W avledd effekt utan någon termisk instabilitet, " säger Gigi Ciovati, en acceleratorforskare som utför denna forskning. Dessa resultat liknar det som nyligen uppnåddes på Fermilab med en annan ledningskylningsuppsättning.

Industrialisering av SRF-teknik

Vad är betydelsen av detta arbete? Medan underhåll och drift av en kryoanläggning för flytande helium för att driva SRF-hålrum är standard på ett nationellt labb som Jefferson Lab, för företag som strävar efter industriella eller medicinska tillämpningar av effektiv SRF-teknik är det en betydande barriär. En sådan applikation är en lågenergi-, högeffekts elektronaccelerator för rening av avloppsvatten eller rökgaser. Redan Jefferson Lab designade en sådan accelerator baserad på en ledningskyld SRF-kavitet [G. Ciovati et al., Phys. Rev. Accel. Balkar 21, 091601 (2018)], och de experimentella resultaten som uppnåddes både vid Jefferson Lab och Fermilab satte designen på en mycket starkare grund.

"Nästa steg, under de kommande två och ett halvt åren, är att visa att vi kan uppnå ett toppytfält som motsvarar en energivinst på 1 MeV, strålenergin som krävs för acceleratorn för miljösanering som vi har designat, i en ledningskyld SRF-kavitet inuti en horisontell kryomodul, " säger Ciovati, som fick ett bidrag från DOE Accelerator Stewardship-programmet för att utföra detta arbete. Industrin kommer att vara starkt involverad i projektet, med det sista RF-testet som genomförs på General Atomics, Jefferson Labs industriella partner.