Prototyping van de caviteit

Het door het team ontworpen systeem omvatte verschillende state-of-the-art ontwikkelingen, evenals een paar nieuwe. Ten eerste had het ontwerp van de deeltjesversneller-holte waaraan in Jefferson Lab werd gewerkt een aantal speciale kenmerken.

Zoals de meeste holtes van de SRF-deeltjesversneller, was deze gemaakt van een materiaal dat niobium wordt genoemd. Niobium wordt supergeleidend bij temperaturen nabij het absolute nulpunt. Deze prototypeholte had echter één laag van een speciaal niobium-tinmateriaal (Nb₃ Sn) toegevoegd aan het binnenoppervlak. Niobium-tin wordt supergeleidend bij een hogere temperatuur dan die van puur niobium. Het gebruik van dit materiaal betekende dat de versnellerholte efficiënt kon functioneren bij meer dan tweemaal de lage temperaturen die nodig zijn voor gewoon niobium:meer dan 4 Kelvin.

De buitenkant van het holteontwerp van het prototype van de deeltjesversneller kreeg ook speciale aandacht. Het kreeg eerst een dunne laag (2 mm) koperen bekleding. Vervolgens werd het bezaaid met drie koperen lipjes, waar de cryokoelersystemen aan de holte konden worden bevestigd. Tenslotte kreeg het een dikke laag koperbekleding (5 mm). Net als bij een kookpot zorgt de bekleding ervoor dat de ovenruimte gemakkelijk warmte overdraagt.

"We hebben feitelijk een koperen thermische deken aan de buitenkant van de holte gebouwd door een combinatie van koud spuiten en galvaniseren. Dit zorgt voor een hoog thermisch geleidingspad zodat de warmte die op het binnenoppervlak wordt gegenereerd, naar het buitenoppervlak beweegt en vervolgens naar de cryokoeler. " legde Ciovati uit.

Een prototypeholte werd voor het eerst getest in het Jefferson Lab in een bad met vloeibaar helium bij 4,3 Kelvin (-452 ° F). Dit is vergelijkbaar met de prestatietests die een versnellende holte zou ondergaan voordat deze in een onderzoeksmachine wordt geïnstalleerd. De tests vormen een basislijn voor de verwachte prestaties.

Alles op een rij

Een vergelijkbaar uitgeruste prototypeholte werd vervolgens naar General Atomics verzonden voor tests in een prototype van een horizontale cryostaat, vergelijkbaar met een cryomodule die wordt gebruikt in op SRF gebaseerde deeltjesversnellers.

"Eerst werd de cryostaat ontlucht en vervolgens werd de holte afgekoeld tot onder de supergeleidende drempel en geëxciteerd met een klein RF-signaal om de elektrische versnellingsgradiënt aan te tonen", zei Packard. "Met de diagnostiek hebben we aangetoond dat de prestaties van de geleidingsgekoelde holte dezelfde specificaties bereikten als de eerdere tests met vloeibaar helium die bij Jefferson Lab werden uitgevoerd."

Hoewel het onderdeel werd gekoeld tot ongeveer 4 Kelvin door slechts drie aangesloten commerciële cryokoelers, bereikte het een magnetisch piekveld aan het oppervlak van 50 milliTesla, het hoogste dat ooit in dit soort opstelling werd bereikt, terwijl het ook een stabiele werking leverde.

Het resultaat voldoet aan de eisen voor een versneller die elektronen kan produceren met een energiewinst van 1 MeV (1 miljoen elektron-Volt), die gebruikt zou kunnen worden in toepassingen voor milieusanering. Elektronenbundels in de buurt van deze energie zijn nuttig voor andere industriële processen, zoals materiaalverwerking of beeldvorming.

"Elektronenbundels zijn nuttig in een verscheidenheid aan commerciële toepassingen. Deze compacte supergeleidende versnellertechnologie heeft een aanzienlijk potentieel voor milieusanering, waarvan een voorbeeld waterzuivering is", aldus Packard. “Onbehandeld water kan onveilige concentraties chemicaliën bevatten, zoals farmaceutische producten of PFAS, maar ook schadelijke ziekteverwekkers zoals E. coli of salmonella. Elektronenstralen zijn zeer effectief in het uiteenscheuren en afbreken van complexe moleculen en organische stoffen in meer basische deeltjes die minder kwetsbaar zijn. bedreigend voor de menselijke gezondheid en het milieu."

"De versnellers die we voor ogen hebben, kunnen tussen de 1 en 10 MeV leveren", aldus Ciovati. "Dit prototype is nog steeds een beetje kleiner dan dat, maar het toont aan dat dit baanbrekende ontwerp, met de mogelijkheid om de holtes te koelen met deze commerciële apparaten, haalbaar is."

Door het succesvol ontwerpen, bouwen en exploiteren van het prototype van een deeltjesversneller met een combinatie van door de industrie gemaakte onderdelen en kant-en-klare commerciële geleidingskryokoelers, hebben de twee teams een grote stap gezet in de richting van het werkelijkheid maken van efficiënte, compacte en betrouwbare SRF-versnellers voor commerciële toepassingen. toepassingen.

"Er was behoorlijk wat betrokkenheid bij de industriële partners – van de caviteitsfabricage en de productie tot aan de uiteindelijke tests. Ik was erg onder de indruk en blij met de hoeveelheid technische expertise, kennis en toewijding die ik aantrof bij alle industriële partners die ik waarmee ik heb gewerkt', zei Ciovati.

Vooruitgaan

De volgende stap is om ons te concentreren op een combinatie van ontwerpverbeteringen en verder testen.

"We gaan holtes met hogere energie evalueren die een diepere penetratie van de elektronenbundel in materialen mogelijk maken", zei Packard. "We zijn ook gefocust op het opbouwen van het complete systeem door de cryomodule te integreren met aanvullende subsystemen, en op het onderzoeken van manieren om het systeem goedkoper te maken."

Meer informatie: G. Ciovati et al, Ontwikkeling van een prototype van een supergeleidende radiofrequentieholte voor geleidingsgekoelde versnellers, Physical Review Accelerators and Beams (2023). DOI:10.1103/PhysRevAccelBeams.26.044701

Geleverd door Thomas Jefferson National Accelerator Facility