La semana pasada, millones de estadounidenses desenvolvieron un pavo envuelto en plástico para el Día de Acción de Gracias. Si es así, deben gracias a los haces de electrones, lo que hizo posible el retractilado. Pero el haz de electrones puede hacer mucho más:puede esterilizar equipos médicos, tratar las aguas residuales e imprimir piezas metálicas. Los aceleradores industriales que generan estos haces de electrones se están expandiendo rápidamente. El Illinois Accelerator Research Center (IARC) tiene la misión de construir un compacto, acelerador de haz de electrones superconductor que servirá para todos estos propósitos.

Los aceleradores de electrones lineales de alta potencia suelen estar hechos de estructuras llamadas cavidades, que imparten energía al haz de partículas, empujándolo hacia adelante. Una de esas cavidades es la radiofrecuencia superconductora, o SRF, cavidad, que requiere temperaturas extremadamente frías para funcionar. Estas máquinas utilizan helio líquido para mantener la temperatura necesaria 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. Aunque tal infraestructura es apropiada para aceleradores de investigación a gran escala, puede ser demasiado complejo y costoso para aplicaciones industriales. La barrera es la necesidad de helio líquido ultrafrío.

Con el espíritu de nunca decir imposible de Fermilab, nuestro equipo en IARC ha roto esta barrera. Hemos enfriado por primera vez una cavidad de radiofrecuencia activa a temperaturas criogénicas sin el uso de helio líquido. Logramos esto conectando una cavidad a un enfriador criogénico disponible comercialmente, utilizando una tecnología patentada por Fermilab.

Como ocurre con cualquier experimento emocionante, conectar la cavidad al enfriador criogénico fue una tarea importante que requirió investigar varios materiales y diseñar componentes personalizados. Nuestro 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 megavoltios por metro en una sola celda, Cavidad de niobio de 650 MHz. Planeamos lograr gradientes de hasta 10 megavoltios por metro 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.

Reemplazar el helio líquido con crioenfriadores plug-and-play hace que los aceleradores SRF sean accesibles a la industria al hacer que los aceleradores sean simples, sistemas llave en mano.