Wetenschappers en ingenieurs van Fermilab hebben een mijlpaal bereikt in een voortdurende inspanning om compacte, draagbare deeltjesversnellers. Onze groep demonstreerde met succes een nieuwe, efficiënte manier om supergeleidende versnellercomponenten te koelen, het kappen van het grootste deel van de traditionele koelinfrastructuur die nodig is voor deze technologie.

Het belang van deze vooruitgang wordt duidelijk als je toevallig rondloopt op de Fermilab-site. Je kunt het echt niet missen:deeltjesversnellers die zijn gebouwd voor ontdekking zijn grote machines. Ze strekken zich uit over honderden meters, zelfs kilometers. Ze vereisen ook een grote en complexe infrastructuur, die het gebruik ervan in de eerste plaats beperkt tot wetenschappelijke onderzoekslaboratoria.

En toch, deeltjesversnellers zijn zeer nuttige hulpmiddelen buiten wetenschappelijke onderzoekslaboratoria. Ze hebben toepassingen in beveiliging, medicijn, productie, en wegen. En hun impact zou nog groter kunnen zijn als we deze van oudsher gigantische machines compact zouden kunnen maken. Miniaturiseer ze. Ontwerp krachtige versnellers die zouden kunnen passen, letterlijk, achter in een vrachtwagen.

Bij Fermilab, we genieten van zulke praktische natuurkundige uitdagingen. En vorige maand, ons team ging de uitdaging aan, het bereiken van een belangrijke mijlpaal in onze zoektocht naar het realiseren van krachtige, compacte versnellers die een impact hebben op ons dagelijks leven. Het kernteam omvatte Ram Dhuley, Michael Geelhoed, Sam Posen en Charles Thangaraj.

Een verve voor bruikbaarheid combineren met geavanceerde wetenschap, ons team heeft met succes een nieuwe, revolutionaire methode voor het koelen van een supergeleidende versnellerholte zonder vloeibaar helium te gebruiken - contra-intuïtief voor de meesten in de versnellerwetenschap.

Deze nieuwe methode - gebaseerd op een Fermilab-idee dat vijf jaar geleden gepatenteerd werd - maakt gebruik van cryogene koelkasten, of cryokoelers, voor het verwijderen van de warmte die wordt afgevoerd door een supergeleidende versnellerholte. Door heliumgas samen te persen en te expanderen over een regeneratieve warmtewisselaar in een "gesloten" cyclus, de cryokoelers produceren koeling zonder het helium eruit te laten. Deze gesloten cyclus van cryokoelers maakt ons systeem zeer compact - meer nog dan de standaard koelapparatuur met vloeibaar helium die wordt gebruikt door traditionele versnellerholten.

Supergeleidende holtes zijn cruciale componenten in deeltjesversnellers, de deeltjesstraal voortstuwen naar hogere energieën door er een elektromagnetische duw aan te geven. We gebruikten een 650 megahertz niobium holte, en we keken allemaal met trots naar de eerste succesvolle resultaten van onze nieuwe methode:een acceleratiegradiënt van 6,6 miljoen volt per meter. Dat is al voldoende voor de toepassingen die we voor ogen hebben, en toch, we weten dat we het beter kunnen.

Supergeleidende holtes die in grote versnellers worden gebruikt, worden meestal gekoeld tot ongeveer 2 kelvin, kouder dan de 2,7 kelvin (min 455 graden Fahrenheit) van de ruimte. De typische manier om dit te bereiken is door de holtes onder te dompelen in vloeibaar helium en op het helium te pompen om de druk te verlagen, en daarmee de temperatuur. Dit alles vereist grote en complexe cryogene systemen - een factor die de draagbaarheid en daarmee de potentiële toepassingen van supergeleidende versnellers in industriële en andere omgevingen ernstig beperkt.

Ons team doorbrak deze barrière door met succes een techniek te realiseren die is geconceptualiseerd door Fermilab-natuurkundige Bob Kephart, nu met pensioen. De voorgestelde techniek om supergeleidende versnellers praktisch te maken door 1) een dunne laag van een materiaal genaamd niobium-tin aan de binnenkant van de niobiumholten te coaten, en 2) het koelen van de gecoate holtes met behulp van cryokoelers via geleidingsverbindingen die de twee verbinden. De cryokoeler-cavity-opstelling maakt een bad met cryogene vloeistof overbodig en elke noodzaak voor een cryogene plant om supergeleiding te bereiken.

De demonstratie laat ook zien hoe deze methode supergeleidende versnellers kan vereenvoudigen en toegankelijk kan maken voor bredere behoeften die verder gaan dan de basiswetenschap:betere bestrating, afvalwater behandeling, sterilisatie van medische apparaten, en geavanceerde productie.

Het toepassen van de wetenschappelijke doorbraken bij Fermilab en het transformeren ervan om uitdagingen buiten de fundamentele wetenschap op te lossen, vereist systematisch ondernemend denken - het identificeren van een kans en het stellen en beantwoorden van een hele reeks vragen om de kans te valideren. Een grote waarde bij dit alles is het omzetten van DOE's investering in wetenschap en technologie in innovatie waardoor nieuwe industrieën kunnen ontstaan.

Bij Fermilab, we zullen onze grensverleggende technologieën blijven toepassen voor nieuwe toepassingen die verder gaan dan de ontdekkingswetenschap. Deze grote doorbraak is een spannende stap in die richting, en we zullen doorgaan met het pushen van de envelop.