Los aceleradores de partículas están hechos de estructuras llamadas cavidades, que imparten energía al haz de partículas, patearlo hacia adelante. Un tipo de cavidad es la radiofrecuencia superconductora, o SRF, cavidad. Generalmente hecho de niobio, Las cavidades SRF requieren un frío extremo para funcionar. Un equipo de Fermilab desarrolló una nueva forma de enfriar las cavidades SRF sin helio líquido. El nuevo sistema es más fácil de operar y de construir.

Los haces de electrones podrían ayudar a limpiar el agua y reparar las carreteras. La barrera es la necesidad de helio líquido ultrafrío. Por primera vez, un equipo ha enfriado una cavidad de acelerador superconductor sin helio líquido. Reemplazar el helio líquido con dispositivos plug-and-play llamados crioenfriadores podría hacer que la tecnología SRF esté disponible para la industria. Los aceleradores SRF energéticamente eficientes pueden proporcionar haces de electrones de alta potencia media. Las vigas podrían fortalecer los materiales, reconstruir pavimento asfáltico, tratar las aguas residuales, y más.

Todos los aceleradores de partículas SRF hasta la fecha utilizan helio líquido para mantener las temperaturas extremadamente frías necesarias para mantener la superconductividad. La operación de helio líquido exige una infraestructura compleja:una planta de licuefacción, líneas de distribución, recuperación de gas, sistemas de purificación, y criomódulos de cavidad que pueden soportar altas presiones. También existen riesgos de seguridad asociados con el funcionamiento del helio líquido. Aunque tal infraestructura es apropiada para aceleradores de investigación a gran escala, puede ser demasiado complejo y costoso para aplicaciones industriales.

Por primera vez, Un equipo del Centro de Investigación Aceleradora de Fermilab de Illinois ha enfriado una cavidad acelerada a temperaturas criogénicas sin el uso de helio líquido. Lo lograron conectando una cavidad a un enfriador criogénico disponible comercialmente, utilizando una tecnología patentada por Fermilab.

Conectar la cavidad al enfriador criogénico fue un desafío importante que requirió investigar varios materiales y diseñar componentes personalizados. El equipo produjo anillos de conducción de niobio y los conectó a la carcasa de la cavidad mediante soldadura por haz de electrones. También desarrollaron juntas de niobio-aluminio que permitían que el calor fluyera fácilmente desde la cavidad al crioenfriador. Para generar calor en la cavidad, el equipo utilizó un controlador de radiofrecuencia plug-and-play simple, como en aceleradores de laboratorio.

Los gradientes electromagnéticos se generan dentro de las cavidades SRF; gradientes más fuertes imparten más energía al haz. Esta primera operación sin criógeno produjo un gradiente de 0,5 MV / m en una celda única, Cavidad de niobio de 650 MHz. Los investigadores de Fermilab planean lograr pronto gradientes de hasta 10 MV / m mediante el uso de enfriadores criogénicos de mayor capacidad y capitalizando otros avances recientes en la tecnología de cavidades. El equipo está explorando la aplicación de la tecnología de enfriamiento por conducción a frecuencias más altas, cavidades multicelulares, y otras estructuras de radiofrecuencia.