Cobre / Niobio / Niobio Cavidad de estaño conectada al crioenfriador. Crédito:Departamento de Energía de EE. UU.
Los componentes básicos de los aceleradores superconductores son cavidades superconductoras de radiofrecuencia (SRF) hechas principalmente de niobio que se combinan en un recipiente y se bañan en helio líquido para alcanzar temperaturas superconductoras. Si bien una gran planta de criogenia de helio líquido puede resultar práctica para una instalación de investigación importante, puede ser una barrera para nuevas aplicaciones de esta tecnología de acelerador.
Ahora, avances en la tecnología de cavidades, Los materiales y el desarrollo de enfriadores criogénicos pueden reducir esta barrera para las aplicaciones industriales y médicas de la tecnología SRF. Después de completar más de 5, 000 pruebas de cavidad en el área de prueba vertical (VTA) utilizando helio líquido, este año, un equipo del Departamento de Investigación y Desarrollo del Instituto SRF en Jefferson Lab enfrió y probó con éxito una cavidad SRF por primera vez en uno de los criostatos verticales del VTA sin helio líquido.
¿Cómo se logró esto? Varias iniciativas en curso se unieron para hacer esto posible.
El primer componente crítico es el uso de un refrigerador criogénico para enfriar la cavidad SRF. Un crioenfriador es un refrigerador de ciclo cerrado que solo requiere un pequeño volumen de gas helio y ofrece una serie de ventajas:es fácil de operar, compacto, confiable y un artículo comercial listo para usar. Dado que los crioenfriadores ya se utilizan para enfriar imanes superconductores en máquinas de imágenes por resonancia magnética (MRI) en hospitales, y con el interés industrial actual en la tecnología de aceleradores en crecimiento, Jefferson Lab estaba motivado para desarrollar aún más la tecnología SRF para abordar esta necesidad.
Recubrimientos nuevos, Nuevas capacidades
El siguiente elemento fueron los avances en el uso del compuesto de niobio y estaño Nb 3 Sn, que tiene una temperatura de transición superconductora más alta, para cavidades SRF. Jefferson Lab ha estado desarrollando Nb de alto rendimiento 3 Sn cavidades desde 2013, basado en el trabajo de Grigory Eremeev, que recibió un premio a la carrera temprana del Departamento de Energía de 2016. Una ventaja clave que ofrecen estas cavidades de niobio y estaño es que siguen siendo superconductoras al doble de las temperaturas requeridas por las cavidades de aceleración de niobio puro. y pueden operar de manera más eficiente a una temperatura más alta que las de Nb. El uso de esta tecnología podría proporcionar importantes ahorros de costos operativos para los futuros aceleradores. La investigación en Jefferson Lab ha dado como resultado una excelente calidad Nb 3 Recubrimientos de película fina de Sn en varios tipos de cavidades SRF diferentes. Una cavidad de celda única Nb a granel específica de 1,5 GHz, en el que un Nb 3 Se cultivó una película de Sn, fue elegido para la integración con un enfriador criogénico.
Al usar un enfriador criogénico, la superficie de la cavidad no se enfría directamente con helio líquido, haciendo que la cavidad sea más susceptible a la ruptura térmica, particularmente si hay defectos. Por lo tanto, la superficie exterior de la cavidad se revistió con unos pocos milímetros de espesor, capa de cobre de alta pureza. Cobre (Cu), que tiene una conductividad térmica más alta que Nb, mejora la transferencia de calor al refrigerador criogénico. Esto se logró al depositar la capa de Cu en la cavidad utilizando métodos estándar en un proveedor comercial.
Luego, el equipo de Jefferson Lab diseñó y construyó un banco de pruebas que contenía la cavidad y el enfriador criogénico para que quepa en uno de los criostatos VTA existentes para que sirviera como recipiente de vacío para realizar la prueba. Los resultados de la prueba de RF estuvieron cerca de lo que se había medido en helio líquido. "Pudimos lograr un campo magnético de superficie pico de 29 mT, correspondiente a un gradiente de aceleración de 6,5 MV / m, y podríamos operar la cavidad a 5 W de potencia disipada sin ninguna inestabilidad térmica, "dice Gigi Ciovati, un científico acelerador que realiza esta investigación. Estos resultados son similares a lo que se logró recientemente en Fermilab utilizando una configuración diferente de refrigeración por conducción.
Industrializando la tecnología SRF
¿Cuál es el significado de este trabajo? Aunque mantener y operar una crioplanta de helio líquido para operar cavidades SRF es estándar en un laboratorio nacional como Jefferson Lab, para las empresas que persiguen aplicaciones industriales o médicas de tecnología SRF eficiente, es una barrera importante. Una de esas aplicaciones es una de baja energía, Acelerador de electrones de alta potencia para el tratamiento de aguas residuales o gases de combustión. Jefferson Lab ya diseñó uno de esos aceleradores basado en una cavidad SRF refrigerada por conducción [G. Ciovati y col., Phys. Rev. Accel. Vigas 21, 091601 (2018)], y los resultados experimentales obtenidos tanto en Jefferson Lab como en Fermilab pusieron el diseño en una base mucho más sólida.
"El siguiente paso, durante los próximos dos años y medio, es demostrar que podemos lograr un campo de superficie pico correspondiente a una ganancia de energía de 1 MeV, la energía del haz requerida para el acelerador para la remediación ambiental que hemos diseñado, en una cavidad SRF refrigerada por conducción dentro de un cromódulo horizontal, "dice Ciovati, que recibió una subvención del programa de administración del acelerador del DOE para llevar a cabo este trabajo. La industria estará muy involucrada en el proyecto, con la prueba de RF final que se lleva a cabo en General Atomics, Socio industrial de Jefferson Lab.
