Från tv-apparater till röntgenapparater, många moderna tekniker möjliggörs av elektroner som har pressats upp av en partikelaccelerator. Nu har det amerikanska energidepartementets Thomas Jefferson National Accelerator Facility arbetat med General Atomics och andra partners för att låsa upp ännu fler applikationer genom att utforska processen att designa, skapa prototyper och testa partikelacceleratorer som är mer kraftfulla och effektiva, samtidigt som de är billigare och skrymmande. .
Forskningen inkluderade design och tillverkning av viktiga delar av en prototyp partikelaccelerator, med avancerade kommersiella kylkomponenter från hyllan och nya supraledande material. Prototypen testades framgångsrikt, vilket visade att designen är genomförbar för kommersiella tillämpningar. Verket publicerades nyligen i Physical Review Accelerators and Beams.
Medlemmar i teamet på Jefferson Lab har lång erfarenhet av att bygga avancerade partikelacceleratorer för grundforskning. För det här projektet anlitade Jefferson Lab med General Atomics för att börja gå bortom teknikens tillämpningar inom grundforskning för att se mot möjliga samhällsfördelar.
Forskarna började arbetet med att fokusera på supraledande radiofrekvensacceleratorkomponenter (SRF) som kallas resonanshåligheter vid Jefferson Lab. Partikelacceleratorer byggda på SRF-hålrum möjliggör några av de mest kraftfulla forskningsmaskinerna i världen, inklusive Jefferson Labs egen anläggning för kontinuerlig elektronstråleaccelerator. CEBAF är en DOE Office of Science-användaranläggning som är dedikerad till att avslöja de underliggande strukturerna hos protoner och neutroner i atomens kärna.
Partikelacceleratorer pressar upp elektroner genom att ge dem extra energi mätt i elektron-volt (eV), och på så sätt "accelererar" elektronerna. Elektroner, accelererade på ett liknande sätt som i CEBAF men i mycket mindre skala, kan användas för att återge bilder på en tv-skärm, göra röntgenbilder för att avbilda patienter eller städa upp avloppsvatten och rökgaser.
Även om SRF-kaviteter är mycket effektiva för att accelerera partikelstrålar, kan dessa system vara mycket dyra att bygga och köra. En av de största utgifterna är deras kylbehov. I en typisk forskningsmaskin, till exempel, måste SRF-hålrum vara extremt kalla – vid 2 Kelvin eller -456° F, vilket är bara några grader över absolut noll – för att uppnå den mest effektiva supraledande driften.
"Det typiska sättet att kyla en SRF-kavitet är med ett stort system som kallas en flytande helium kryogen anläggning. Dessa system är dyra att installera och driva", säger Drew Packard, en forskare vid Magnetic Fusion Energy (MFE) divisionen av General Atomics, som samarbetar i projektet.
Helium är allmänt känt som den gas som används för att göra flytande ballonger, eftersom det är lättare än luft. Flytande helium, som hålls under 4,2 Kelvin, är det element som väljs för att kyla supraledande kaviteter till deras mycket låga temperaturer. Heliumet strömmar över hålrummens yttre yta i en process som kallas konvektion, vilket tar bort värme och håller temperaturen låg. Denna process liknar hur en luftkonditionering fungerar.
Kryoplantorna som krävs för att hålla helium vid denna låga temperatur är komplicerade att designa och använda, vilket Packard noterade. Helium är också en relativt sällsynt, icke-förnybar resurs med en komplex tillverkningsprocess.
General Atomics-teamet designade och testade en horisontell kryostat som istället kyler hålrummen med ledningskylning. Systemet använder sig av färdiga kryogena system som kallas "cryocoolers". Dessa enheter används redan i stor utsträckning för att kyla supraledande magneter i magnetisk resonanstomografi (MRI) på sjukhus.
Mycket låga temperaturer kan uppnås samtidigt som avsevärda mängder värme avlägsnas genom att montera kryokylarens starkt ledande "kallhuvud" direkt i kaviteten. Kyleffekten hos kommersiella kryokylare har ökat stadigt under de senaste åren, med upp till 5 W vid 4,2 Kelvin tillgängliga för närvarande.
"En av de banbrytande teknologierna är förmågan att kyla kaviteten genom ledning med dessa kompakta kommersiella enheter, istället för att ha stora, komplexa och dyrare kryogena kylanläggningar", säger Gianluigi "Gigi" Ciovati, en forskare från Jefferson Lab som är ledande. projektet. "Flytande heliumkryoplantor kommer inte att behövas för systemet vi arbetar med."
Medan flytande helium kommer att fortsätta att spela en viktig roll för stora acceleratorer som bedriver grundläggande och tillämpad forskning, kommer heliumfria ledande kyltekniker att bana väg för mer kompakt teknik som kan tjäna andra syften.
Prototyp av kaviteten
Systemet designat av teamet inkorporerade flera toppmoderna framsteg, såväl som några nya. För det första hade designen av partikelacceleratorns kavitet som arbetades med vid Jefferson Lab några speciella egenskaper.
Liksom de flesta SRF-partikelacceleratorhålrum var den gjord av ett material som kallas niob. Niob blir supraledande vid temperaturer nära absolut noll. Denna prototyphålighet hade dock ett lager av ett speciellt niobtennmaterial (Nb3 Sn) läggs till dess insida. Niob-tenn blir supraledande vid högre temperatur än ren niob. Att använda detta material innebar att acceleratorns kavitet kunde fungera effektivt vid mer än dubbelt så låga temperaturer som behövs för vanligt niob – över 4 Kelvin.
Utsidan av prototypen av partikelacceleratorns kavitetsdesign fick också särskild uppmärksamhet. Den fick först ett tunt lager (2 mm) av kopparbeklädnad. Den var sedan översållad med tre kopparflikar, där kryokylarsystemen kunde fästas i kaviteten. Slutligen fick den ett tjockt lager kopparbeklädnad (5 mm). Ungefär som i en kastrull hjälper beklädnaden håligheten att enkelt överföra värme.
"Vi byggde i princip en termisk kopparfilt på utsidan av kaviteten genom en kombination av kall spray och elektroplätering. Detta ger en hög värmeledningsförmåga för värmen som genereras på den inre ytan att flytta till den yttre ytan och sedan mot kryokylaren, " förklarade Ciovati.
En prototyphålighet testades först vid Jefferson Lab i ett flytande heliumbad vid 4,3 Kelvin (-452°F). Detta liknar prestandatestningen som en accelererande kavitet skulle få innan den installerades i en forskningsmaskin. Testerna fastställer en baslinje för förväntad prestanda.
Ett liknande utrustat prototyphålrum skickades sedan till General Atomics för dess tester i en prototyp horisontell kryostat, liknande en kryomodul som används i SRF-baserade partikelacceleratorer.
"Först evakuerades kryostaten från luft, och sedan kyldes håligheten under dess supraledande tröskel och exciterades med en liten RF-signal för att demonstrera den elektriska accelerationsgradienten," sa Packard. "Med diagnostiken visade vi att den ledningskylda kavitetsprestandan uppnådde samma specifikationer som de tidigare testerna för flytande helium som utfördes vid Jefferson Lab."
Medan den kyldes till cirka 4 Kelvin av bara tre anslutna kommersiella kryokylare, uppnådde komponenten ett maximalt magnetfält på ytan på 50 milliTesla, det högsta som någonsin uppnåtts i denna typ av installation, samtidigt som den levererade stabil drift.
Resultatet uppfyller kraven för en accelerator som kan producera elektroner med en energivinst på 1 MeV (1 miljon elektronvolt), som kan användas i miljösaneringsapplikationer. Elektronstrålar nära denna energi är användbara för andra industriella processer, såsom materialbearbetning eller bildbehandling.
"Elektronstrålar är användbara i en mängd olika kommersiella tillämpningar. Denna kompakta supraledande acceleratorteknik har en betydande potential för miljösanering, ett exempel är vattenrening," sa Packard. "Obehandlat vatten kan innehålla osäkra koncentrationer av kemikalier som läkemedel eller PFAS, såväl som skadliga patogener som E. coli eller salmonella. Elektronstrålar är mycket effektiva för att riva isär och bryta ner komplexa molekyler och organiska ämnen till mer grundläggande partiklar som är mindre hotar människors hälsa och miljön."
"Acceleratorerna som vi tänker oss kan leverera mellan en och 10 MeV", säger Ciovati. "Den här prototypen är fortfarande lite mindre än så, men den visar att denna banbrytande design, med förmågan att kyla hålrummen med dessa kommersiella enheter, är genomförbar."
Genom att framgångsrikt designa, bygga och driva prototyppartikelacceleratorn med en kombination av industritillverkade delar och kommersiella kryokylare för kommersiell ledning, har de två teamen tagit ett stort steg mot att göra effektiva, kompakta och pålitliga SRF-acceleratorer till verklighet för kommersiella ändamål. applikationer.
"Det fanns en hel del engagemang med de industriella partnerna - från tillverkningen av kavitet och produktionen till den slutliga testningen. Jag var mycket imponerad och nöjd med mängden teknisk expertis, kunskap och engagemang som jag hittade hos alla industriella partners jag har arbetat med," sa Ciovati.
Nästa steg är att fokusera på en kombination av designförbättringar och ytterligare tester.
"Vi kommer att utvärdera hålrum med högre energi som möjliggör djupare penetration av elektronstrålen i material," sa Packard. "Vi är också fokuserade på att bygga upp hela systemet genom att integrera kryomodulen med ytterligare delsystem, samt att undersöka sätt att göra systemet billigare."
Mer information: G. Ciovati et al, Utveckling av en prototyp av supraledande radiofrekvenskavitet för ledningskylda acceleratorer, Physical Review Accelerators and Beams (2023). DOI:10.1103/PhysRevAccelBeams.26.044701
Tillhandahålls av Thomas Jefferson National Accelerator Facility
