De bouwstenen van supergeleidende versnellers zijn supergeleidende radiofrequente (SRF) holtes, voornamelijk gemaakt van niobium, die worden gecombineerd in een vat en gebaad in vloeibaar helium om supergeleidende temperaturen te bereiken. Hoewel een grote cryogene fabriek voor vloeibaar helium praktisch kan zijn voor een grote onderzoeksfaciliteit, het kan een barrière vormen voor nieuwe toepassingen van deze versnellertechnologie.

Nutsvoorzieningen, vooruitgang in holtetechnologie, materialen en de ontwikkeling van cryokoelers kunnen deze barrière voor industriële en medische toepassingen van SRF-technologie verlagen. Na het voltooien van meer dan 5, 000 caviteitstests in het verticale testgebied (VTA) met vloeibaar helium, dit jaar heeft een team van de R&D-afdeling van het SRF Institute in Jefferson Lab voor het eerst een SRF-holte gekoeld en met succes getest in een van de verticale cryostaten van de VTA zonder vloeibaar helium.

Hoe is dit tot stand gekomen? Een aantal lopende initiatieven kwamen samen om dit mogelijk te maken.

De eerste kritische component is het gebruik van een cryokoeler om de SRF-holte te koelen. Een cryokoeler is een koelkast met gesloten cyclus die slechts een kleine hoeveelheid heliumgas nodig heeft en een aantal voordelen biedt:eenvoudig te bedienen, compact, betrouwbaar en een commercieel kant-en-klaar artikel. Nu cryokoelers al worden gebruikt om supergeleidende magneten te koelen in MRI-machines (magnetic resonance imaging) in ziekenhuizen, en met de huidige industriële interesse in versnellertechnologie groeit, Jefferson Lab was gemotiveerd om SRF-technologie verder te ontwikkelen om aan deze behoefte te voldoen.

Nieuwe coatings, Nieuwe mogelijkheden

Het volgende element was de vooruitgang in het gebruik van de niobium-tinverbinding Nb ₃ Sn, die een hogere supergeleidende overgangstemperatuur heeft, voor SRF-holtes. Jefferson Lab heeft hoogwaardige Nb . ontwikkeld ₃ Sn gaatjes sinds 2013, gebaseerd op het werk van Grigory Eremeev, die een 2016 Department of Energy Early Career Award ontving. Een belangrijk voordeel van deze niobium-tinholten is dat ze supergeleidend blijven bij tweemaal de temperaturen die nodig zijn voor zuivere niobiumversnellende holtes, en kan efficiënter werken bij een hogere temperatuur dan Nb. Het gebruik van deze technologie kan aanzienlijke operationele kostenbesparingen opleveren voor toekomstige versnellers. Onderzoek bij Jefferson Lab heeft geresulteerd in uitstekende kwaliteit Nb ₃ Sn dunne film coatings op verschillende SRF caviteitstypes. Een specifieke 1,5 GHz bulk Nb eencellige holte, waarop een Nb ₃ Sn-film werd gekweekt, werd gekozen voor integratie met een cryokoeler.

Door gebruik te maken van een cryokoeler, het oppervlak van de holte wordt niet direct gekoeld door vloeibaar helium, waardoor de holte vatbaarder wordt voor thermische afbraak, zeker als er gebreken zijn. Daarom was het buitenoppervlak van de holte bedekt met een paar millimeter dikke, hoogzuivere koperlaag. Koper (Cu), die een hogere thermische geleidbaarheid heeft dan Nb, verbetert de warmteoverdracht naar de cryokoeler. Dit werd bereikt door de Cu-laag op de holte te laten afzetten met behulp van standaardmethoden bij een commerciële verkoper.

Het Jefferson Lab-team ontwierp en bouwde vervolgens een testbank met daarin de holte en de cryokoeler om in een van de bestaande VTA-cryostaten te passen om als vacuümvat te dienen om de test uit te voeren. De RF-testresultaten lagen dicht bij wat was gemeten in vloeibaar helium. "We waren in staat om een ​​piekmagneetveld van 29 mT te bereiken, overeenkomend met een versnellende helling van 6,5 MV/m, en we zouden de holte kunnen laten werken op 5 W gedissipeerd vermogen zonder enige thermische instabiliteit, " zegt Gigi Ciovati, een acceleratorwetenschapper die dit onderzoek uitvoert. Deze resultaten zijn vergelijkbaar met wat onlangs werd bereikt bij Fermilab met een andere opstelling voor geleidingskoeling.

Industrialisatie van SRF-technologie

Wat is de betekenis van dit werk? Hoewel het onderhouden en exploiteren van een vloeibare helium-cryoplant voor het bedienen van SRF-holtes standaard is in een nationaal laboratorium zoals Jefferson Lab, voor bedrijven die industriële of medische toepassingen van efficiënte SRF-technologie nastreven, is dit een belangrijke barrière. Een van die toepassingen is een energiezuinige, krachtige elektronenversneller voor de behandeling van afvalwater of rookgassen. Jefferson Lab ontwierp al zo'n versneller op basis van een conductiegekoelde SRF-holte [G. Ciovati et al., Fys. ds. Accel. Balken 21, 091601 (2018)], en de experimentele resultaten die zowel bij Jefferson Lab als bij Fermilab werden behaald, gaven het ontwerp een veel sterkere basis.

"De volgende stap, de komende twee en een half jaar, is om aan te tonen dat we een piekoppervlakteveld kunnen bereiken dat overeenkomt met een energiewinst van 1 MeV, de bundelenergie die nodig is voor de versneller voor milieusanering die we hebben ontworpen, in een conductiegekoelde SRF-holte in een horizontale cryomodule, " zegt Ciovati, die een subsidie ​​ontvingen van het DOE Accelerator Stewardship-programma om dit werk uit te voeren. De industrie zal nauw bij het project worden betrokken, terwijl de laatste RF-test wordt uitgevoerd bij General Atomics, De industriële partner van Jefferson Lab.