Vorige week, miljoenen Amerikanen pakten een in krimpfolie verpakte kalkoen uit voor Thanksgiving. Als, ze zijn te danken aan elektronenstralen, waardoor het krimpen mogelijk werd. Maar de elektronenstraal kan veel meer:​​het kan medische apparatuur steriliseren, afvalwater behandelen en metalen onderdelen printen. Industriële versnellers die deze elektronenbundels genereren, breiden zich snel uit. Het Illinois Accelerator Research Center (IARC) is op een missie om een ​​high-power, compact, supergeleidende elektronenbundelversneller die al deze doelen zal dienen.

Krachtige lineaire elektronenversnellers zijn meestal gemaakt van structuren die holtes worden genoemd, die energie geven aan de deeltjesbundel, het naar voren duwen. Een van die holtes is de supergeleidende radiofrequentie, of SRF, holte, die extreem lage temperaturen vereist om te kunnen werken. Deze machines gebruiken vloeibaar helium om de temperatuur te handhaven die nodig is voor het in stand houden van supergeleiding. De operatie met vloeibaar helium vereist een complexe infrastructuur:een vloeibaarmakingsinstallatie, distributielijnen, gasterugwinning, zuiveringssystemen, en holte-cryomodules die bestand zijn tegen hoge druk. Hoewel een dergelijke infrastructuur geschikt is voor grootschalige onderzoeksversnellers, het kan te complex en te duur zijn voor industriële toepassingen. De barrière is de behoefte aan ultrakoud vloeibaar helium.

Met Fermilab's nooit-zeggen-onmogelijke geest, ons team bij IARC heeft deze barrière doorbroken. We hebben voor het eerst een actieve radiofrequentieholte gekoeld tot cryogene temperaturen zonder het gebruik van vloeibaar helium. Dit hebben we bereikt door een holte aan te sluiten op een in de handel verkrijgbare cryokoeler, met behulp van een door Fermilab gepatenteerde technologie.

Zoals bij elk opwindend experiment, het verbinden van de holte met de cryokoeler was een belangrijke taak die het onderzoeken van verschillende materialen en het ontwerpen van aangepaste componenten vereiste. Ons team produceerde niobiumgeleidingsringen en verbond ze met de holte van de holte met behulp van elektronenstraallassen. Ze ontwikkelden ook niobium-aluminiumverbindingen waardoor warmte gemakkelijk van de holte naar de cryokoeler kon stromen. Om warmte in de holte te genereren, het team gebruikte een eenvoudige plug-and-play radiofrequentiedriver, zoals in laboratoriumversnellers.

Binnen SRF-holtes worden elektromagnetische gradiënten gegenereerd; sterkere gradiënten geven meer energie aan de bundel. Deze allereerste cryogeenvrije operatie produceerde een gradiënt van 0,5 megavolt per meter op een eencellige, Niobiumholte van 650 MHz. We zijn van plan gradiënten tot 10 megavolt per meter te bereiken door cryokoelers met een hogere capaciteit te gebruiken en te profiteren van andere recente ontwikkelingen in de technologie van holtes. Het team onderzoekt de toepassing van geleidingskoelingstechnologie op hogere frequenties, meercellige holtes, en andere radiofrequentiestructuren.

Het vervangen van vloeibaar helium door plug-and-play cryokoelers maakt SRF-versnellers toegankelijk voor de industrie door versnellers te maken tot eenvoudige, sleutelklare systemen.