Desde televisores hasta máquinas de rayos X, muchas tecnologías modernas son posibles gracias a electrones que han sido estimulados por un acelerador de partículas. Ahora, la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía de EE. UU. ha trabajado con General Atomics y otros socios para desbloquear aún más aplicaciones explorando el proceso de diseño, creación de prototipos y pruebas de aceleradores de partículas que sean más potentes y eficientes, a la vez que menos costosos y voluminosos. .
La investigación incluyó el diseño y la fabricación de elementos cruciales de un prototipo de acelerador de partículas, que incluye componentes de refrigeración comerciales avanzados y nuevos materiales superconductores. El prototipo se probó con éxito, demostrando la viabilidad del diseño para aplicaciones comerciales. El trabajo se publicó recientemente en Physical Review Accelerators and Beams.
Los miembros del equipo del Jefferson Lab tienen una amplia experiencia en la construcción de aceleradores de partículas avanzados para la investigación básica. Para este proyecto, Jefferson Lab subcontrató a General Atomics para comenzar a ir más allá de las aplicaciones de la tecnología en la investigación básica y buscar posibles beneficios sociales.
Los investigadores comenzaron el trabajo centrándose en los componentes del acelerador de radiofrecuencia superconductora (SRF) llamados cavidades resonantes en el Laboratorio Jefferson. Los aceleradores de partículas construidos sobre cavidades SRF habilitan algunas de las máquinas de investigación más potentes del mundo, incluida la instalación de aceleración continua de haz de electrones del propio Jefferson Lab. CEBAF es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE que se dedica a revelar las estructuras subyacentes de los protones y neutrones en el núcleo del átomo.
Los aceleradores de partículas estimulan los electrones dándoles energía adicional medida en electronvoltios (eV), "acelerando" así los electrones. Los electrones, acelerados de manera similar a la del CEBAF pero a una escala mucho menor, se pueden utilizar para representar imágenes en una pantalla de televisión, hacer rayos X para obtener imágenes de pacientes o limpiar aguas residuales y gases de combustión.
Si bien las cavidades SRF son muy eficientes para acelerar haces de partículas, estos sistemas pueden ser muy costosos de construir y operar. Uno de los mayores gastos son sus necesidades de refrigeración. En una máquina de investigación típica, por ejemplo, las cavidades SRF deben estar extremadamente frías (a 2 Kelvin o -456 °F, que es sólo unos pocos grados por encima del cero absoluto) para lograr la operación superconductora más eficiente.
"El medio típico de enfriar una cavidad SRF es con un gran sistema llamado planta criogénica de helio líquido. Estos sistemas son costosos de instalar y operar", dijo Drew Packard, científico de la división Magnetic Fusion Energy (MFE) de General Atomics. quién colabora en el proyecto.
El helio se reconoce comúnmente como el gas utilizado para fabricar globos flotantes porque es más ligero que el aire. El helio licuado, mantenido por debajo de 4,2 Kelvin, es el elemento elegido para enfriar las cavidades superconductoras a temperaturas bajísimas. El helio fluye sobre la superficie exterior de las cavidades en un proceso llamado convección, eliminando calor y manteniendo baja la temperatura. Este proceso es similar a cómo funciona un aire acondicionado.
Las crioplantas necesarias para mantener el helio a esta baja temperatura son complicadas de diseñar y operar, como señala Packard. El helio también es un recurso relativamente raro y no renovable con un proceso de fabricación complejo.
El equipo de General Atomics diseñó y probó un criostato horizontal que, en cambio, enfría las cavidades mediante enfriamiento por conducción. El sistema utiliza sistemas criogénicos ya preparados llamados "crioenfriadores". Estos dispositivos ya se utilizan ampliamente para enfriar imanes superconductores en máquinas de resonancia magnética (MRI) en hospitales.
Se pueden lograr temperaturas muy bajas mientras se eliminan cantidades sustanciales de calor montando la "cabeza fría" altamente conductora del crioenfriador directamente en la cavidad. La potencia de enfriamiento de los crioenfriadores comerciales ha aumentado constantemente en los últimos años, con hasta 5 W a 4,2 Kelvin disponibles actualmente.
"Una de las tecnologías innovadoras es la capacidad de enfriar la cavidad por conducción con estos dispositivos comerciales compactos, en lugar de tener plantas de enfriamiento criogénicas grandes, complejas y más costosas", dijo Gianluigi "Gigi" Ciovati, científico del Laboratorio Jefferson que lidera el proyecto. "Las crioplantas de helio líquido no serán necesarias para el sistema en el que estamos trabajando."
Si bien el helio líquido seguirá desempeñando un papel importante para los grandes aceleradores que realizan investigaciones básicas y aplicadas, las técnicas de enfriamiento conductivo sin helio allanarán el camino para tecnologías más compactas que pueden servir para otros propósitos.
Creación de prototipos de la cavidad
El sistema diseñado por el equipo incorporó varios avances de última generación, así como algunos nuevos. En primer lugar, el diseño de la cavidad del acelerador de partículas en el que se trabajó en el Laboratorio Jefferson tenía algunas características especiales.
Como la mayoría de las cavidades de los aceleradores de partículas SRF, estaba hecha de un material llamado niobio. El niobio se vuelve superconductor a temperaturas cercanas al cero absoluto. Sin embargo, esta cavidad prototipo tenía una capa de un material especial de niobio y estaño (Nb3 Sn) añadido a su superficie interior. El niobio-estaño se vuelve superconductor a una temperatura más alta que la del niobio puro. El uso de este material significó que la cavidad del acelerador podría funcionar eficientemente a más del doble de las bajas temperaturas necesarias para el niobio ordinario:más de 4 Kelvin.
También se prestó especial atención al diseño exterior del prototipo de la cavidad del acelerador de partículas. Primero recibió una fina capa (2 mm) de revestimiento de cobre. Luego se le colocaron tres pestañas de cobre, donde se podían unir los sistemas de crioenfriador a la cavidad. Finalmente, recibió una gruesa capa de revestimiento de cobre (5 mm). Al igual que en una olla, el revestimiento ayuda a que la cavidad transfiera el calor fácilmente.
"Básicamente, construimos una manta térmica de cobre en el exterior de la cavidad mediante una combinación de pulverización en frío y galvanoplastia. Esto proporciona una ruta de alta conductividad térmica para que el calor generado en la superficie interior se mueva hacia la superficie exterior y luego hacia el crioenfriador. " explicó Ciovati.
Un prototipo de cavidad se probó por primera vez en el Laboratorio Jefferson en un baño de helio líquido a 4,3 Kelvin (-452° F). Esto es similar a las pruebas de rendimiento que recibiría una cavidad aceleradora antes de ser instalada en una máquina de investigación. Las pruebas establecen una línea de base para el rendimiento esperado.
Luego se envió un prototipo de cavidad similar a General Atomics para sus pruebas en un prototipo de criostato horizontal, similar a un criómódulo utilizado en aceleradores de partículas basados en SRF.
"Primero, se evacuó el aire del criostato y luego se enfrió la cavidad por debajo de su umbral superconductor y se excitó con una pequeña señal de RF para demostrar el gradiente de aceleración eléctrica", dijo Packard. "Con el diagnóstico, demostramos que el rendimiento de la cavidad enfriada por conducción alcanzó las mismas especificaciones que las pruebas anteriores de helio líquido realizadas en el Laboratorio Jefferson".
Mientras se enfriaba a aproximadamente 4 Kelvin mediante solo tres crioenfriadores comerciales conectados, el componente alcanzó un campo magnético superficial máximo de 50 miliTesla, el más alto jamás logrado en este tipo de configuración, al mismo tiempo que ofrecía un funcionamiento estable.
El resultado cumple los requisitos de un acelerador capaz de producir electrones con una ganancia de energía de 1 MeV (1 millón de electronvoltios), que podría utilizarse en aplicaciones de remediación medioambiental. Los haces de electrones cercanos a esta energía son útiles para otros procesos industriales, como el procesamiento de materiales o la obtención de imágenes.
"Los haces de electrones son útiles en una variedad de aplicaciones comerciales. Esta tecnología de acelerador superconductor compacto tiene un potencial considerable para la remediación ambiental, un ejemplo de lo cual es la purificación del agua", dijo Packard. "El agua no tratada puede contener concentraciones peligrosas de sustancias químicas como productos farmacéuticos o PFAS, así como patógenos dañinos como E. coli o salmonella. Los rayos de electrones son muy efectivos para desgarrar y descomponer moléculas complejas y compuestos orgánicos en partículas más básicas que son menos una amenaza para la salud humana y el medio ambiente."
"Los aceleradores que estamos imaginando son capaces de entregar entre uno y 10 MeV", dijo Ciovati. "Este prototipo es todavía un poco más pequeño, pero demuestra que este diseño innovador, con la capacidad de enfriar las cavidades con estos dispositivos comerciales, es factible".
Al diseñar, construir y operar con éxito el prototipo de acelerador de partículas con una combinación de piezas fabricadas en la industria y crioenfriadores de conducción comerciales, los dos equipos han dado un gran paso para hacer realidad los aceleradores SRF eficientes, compactos y confiables para el sector comercial. aplicaciones.
"Hubo bastante participación con los socios industriales, desde la fabricación de la cavidad y la producción hasta las pruebas finales. Quedé muy impresionado y satisfecho con la cantidad de experiencia técnica, conocimiento y compromiso que encontré en todos los socios industriales que he trabajado", dijo Ciovati.
El siguiente paso es centrarse en una combinación de mejoras de diseño y pruebas adicionales.
"Vamos a evaluar cavidades de mayor energía que permitan una penetración más profunda del haz de electrones en los materiales", dijo Packard. "También estamos centrados en desarrollar el sistema completo integrando el criomódulo con subsistemas adicionales, así como en investigar formas de abaratar el sistema".
Más información: G. Ciovati et al, Desarrollo de un prototipo de cavidad de radiofrecuencia superconductora para aceleradores refrigerados por conducción, Physical Review Accelerators and Beams (2023). DOI:10.1103/PhysRevAccelBeams.26.044701
Proporcionado por el Fondo del Acelerador Nacional Thomas Jefferson
