_ Cavitatea de accelerare răcită prin conducție dovedește fezabil pentru aplicații comerciale

De la televizoare la aparate cu raze X, multe tehnologii moderne sunt activate de electroni care au fost extrași de un accelerator de particule. Acum, Thomas Jefferson National Accelerator Facility din cadrul Departamentului de Energie al SUA a colaborat cu General Atomics și alți parteneri pentru a debloca și mai multe aplicații prin explorarea procesului de proiectare, prototipare și testare a acceleratoarelor de particule care sunt mai puternice și mai eficiente, în același timp mai puțin costisitoare și voluminoase. .

Cercetarea a inclus proiectarea și fabricarea elementelor cruciale ale unui prototip de accelerator de particule, care include componente de răcire comerciale avansate și materiale supraconductoare noi. Prototipul a fost testat cu succes, demonstrând fezabilitatea designului pentru aplicații comerciale. Lucrarea a fost publicată recent în Physical Review Accelerators and Beams.

Membrii echipei de la Jefferson Lab au o experiență vastă în construirea de acceleratoare de particule avansate pentru cercetarea de bază. Pentru acest proiect, Jefferson Lab a subcontractat cu General Atomics pentru a începe să treacă dincolo de aplicațiile tehnologiei în cercetarea de bază pentru a căuta posibile beneficii societale.

Cercetătorii au început munca concentrându-se pe componentele acceleratorului de radiofrecvență supraconductoare (SRF) numite cavități rezonante la Jefferson Lab. Acceleratoarele de particule construite pe cavități SRF permit unele dintre cele mai puternice mașini de cercetare din lume, inclusiv instalația de accelerare a fasciculului de electroni continuu a Jefferson Lab. CEBAF este o facilitate pentru utilizatori DOE Office of Science care este dedicată dezvăluirii structurilor subiacente ale protonilor și neutronilor din nucleul atomului.

Acceleratorii de particule extrag electronii oferindu-le energie suplimentară măsurată în electroni-volți (eV). ), „accelerând” astfel electronii. Electronii, accelerați într-un mod similar ca în CEBAF, dar la o scară mult mai mică, pot fi folosiți pentru a reda imagini pe un ecran de televizor, pentru a face raze X pentru a face imagini pacienților sau pentru a curăța apele uzate și gazele de ardere.

În timp ce cavitățile SRF sunt foarte eficiente în accelerarea fasciculelor de particule, aceste sisteme pot fi foarte costisitoare de construit și de rulat. Una dintre cele mai mari cheltuieli este cerințele lor de răcire. Într-o mașină de cercetare tipică, de exemplu, cavitățile SRF trebuie să fie extrem de reci - la 2 Kelvin sau -456 ° F, ceea ce este doar câteva grade peste zero absolut - pentru a obține cea mai eficientă operație supraconductivă.

„Mijlocul tipic de răcire a unei cavități SRF este cu un sistem mare numit o instalație de criogenie cu heliu lichid. Aceste sisteme sunt costisitoare de instalat și de operat”, a spus Drew Packard, om de știință la divizia de Energie de fuziune magnetică (MFE) a General Atomics, care colaborează la proiect.

Heliul este în mod obișnuit recunoscut drept gazul folosit pentru a face baloane plutitoare, deoarece este mai ușor decât aerul. Heliul lichefiat, menținut sub 4,2 Kelvin, este elementul de alegere pentru a răci cavitățile supraconductoare la temperaturile lor foarte scăzute. Heliul curge peste suprafața exterioară a cavităților într-un proces numit convecție, eliminând căldura și menținând temperatura scăzută. Acest proces este similar cu modul în care funcționează un aparat de aer condiționat.

Crioplantele necesare pentru a menține heliul la această temperatură scăzută sunt complicate de proiectat și de operat, așa cum a menționat Packard. Heliul este, de asemenea, o resursă relativ rară, neregenerabilă, cu un proces de fabricație complex.

Echipa General Atomics a proiectat și testat un criostat orizontal care, în schimb, răcește cavitățile folosind răcirea prin conducție. Sistemul folosește sisteme criogenice gata făcute numite „cryocooler”. Aceste dispozitive sunt deja utilizate pe scară largă pentru a răci magneții supraconductori în aparatele de imagistică prin rezonanță magnetică (IRM) din spitale.

Pot fi atinse temperaturi foarte scăzute în timp ce se elimină cantități substanțiale de căldură prin montarea „capului rece” foarte conductiv al răcitorului criogen direct în cavitate. Puterea de răcire a criocoolerelor comerciale a crescut constant în ultimii ani, cu până la 5 W la 4,2 Kelvin disponibile în prezent.

„Una dintre tehnologiile inovatoare este capacitatea de a răci cavitatea prin conducție cu acestea. dispozitive comerciale compacte, în loc să aibă instalații de răcire criogenică mari, complexe și mai scumpe”, a declarat Gianluigi „Gigi” Ciovati, om de știință al echipei Jefferson Lab, care conduce proiectul. „Crioplantele cu heliu lichid nu vor fi necesare pentru sistemul la care lucrăm.”

În timp ce heliul lichid va continua să joace un rol important pentru acceleratorii mari care efectuează cercetări de bază și aplicate, tehnicile de răcire conductivă fără heliu va deschide calea pentru tehnologii mai compacte care pot servi în alte scopuri.

Prototiparea cavității

Sistemul conceput de echipă a încorporat și câteva progrese de ultimă generație. ca câteva noi. În primul rând, proiectarea cavității acceleratorului de particule la care a lucrat la Jefferson Lab a avut câteva caracteristici speciale.

La fel ca majoritatea cavităților acceleratorului de particule SRF, a fost realizat dintr-un material numit niobiu. Niobiul devine supraconductor la temperaturi apropiate de zero absolut. Cu toate acestea, această cavitate prototip avea un strat dintr-un material special de niobiu-staniu (Nb3Sn) adăugat la suprafața sa interioară. Niobiul-staniu devine supraconductor la o temperatură mai mare decât cea a niobiului pur. Folosirea acestui material a însemnat că cavitatea acceleratorului ar putea funcționa eficient la mai mult de două ori mai mult decât temperaturile scăzute necesare pentru niobiul obișnuit – dincolo de 4 Kelvin.

Exteriorul designului prototipului cavității acceleratorului de particule a primit, de asemenea, o atenție specială. Mai întâi a primit un strat subțire (2 mm) de placare de cupru. Apoi a fost împânzit cu trei urechi de cupru, unde sistemele de răcire criogenă puteau fi atașate la cavitate. În cele din urmă, a primit un strat gros de placare de cupru (5 mm). La fel ca într-o oală de gătit, placarea ajută cavitatea să transfere cu ușurință căldura.

„Practic, am construit o pătură termică de cupru pe exteriorul cavității printr-o combinație de pulverizare la rece și galvanizare. Acest lucru oferă un cale de conductivitate termică ridicată pentru ca căldura generată pe suprafața interioară să se deplaseze către suprafața exterioară și apoi spre criocooler", a explicat Ciovati.

O cavitate prototip a fost testată pentru prima dată la Jefferson Lab într-o baie de heliu lichid la 4,3 Kelvin (-452 ° F). Acest lucru este similar cu testarea de performanță pe care o va primi o cavitate de accelerare înainte de a fi instalată într-o mașină de cercetare. Testele stabilesc o linie de referință pentru performanța așteptată.

O cavitate prototip echipată în mod similar a fost apoi expediată către General Atomics pentru testele sale într-un prototip de criostat orizontal, similar cu un criomodul utilizat în acceleratoarele de particule bazate pe SRF.

„Mai întâi, criostatul a fost evacuat de aer, iar apoi cavitatea a fost răcită sub pragul său de supraconductor și excitată cu un mic semnal RF pentru a demonstra gradientul de accelerare electrică”, a spus Packard. „Prin diagnosticare, am demonstrat că performanța cavității răcite prin conducție a atins aceleași specificații ca și testele anterioare cu heliu lichid efectuate la Jefferson Lab.”

În timp ce a fost răcită la aproximativ 4 Kelvin de doar trei criocooler comerciale atașate, componenta a atins un câmp magnetic de suprafață de vârf de 50 miliTesla, cel mai mare obținut vreodată în acest tip de configurație, oferind în același timp o funcționare stabilă.

Rezultatul îndeplinește cerințele pentru un accelerator capabil să producă electroni cu un 1 Câștig de energie MeV (1 milion de electroni-volți), care ar putea fi utilizat în aplicații de remediere a mediului. Fasciculele de electroni din apropierea acestei energii sunt utile pentru alte procese industriale, cum ar fi prelucrarea materialelor sau imagistica.

"Fasciculele de electroni sunt utile într-o varietate de aplicații comerciale. Această tehnologie compactă a acceleratorului supraconductor are un potențial considerabil pentru remedierea mediului, un exemplu fiind purificarea apei", a spus Packard. „Apa netratată poate conține concentrații nesigure de substanțe chimice, cum ar fi produsele farmaceutice sau PFAS, precum și agenți patogeni dăunători, cum ar fi E. coli sau salmonella. Fasciculele de electroni sunt foarte eficiente în distrugerea și descompunerea moleculelor complexe și a substanțelor organice în particule mai bazice, care sunt mai puține. care amenință sănătatea umană și mediul.”

„Acceleratoarele pe care le imaginăm sunt capabile să furnizeze între unu și 10 MeV”, a spus Ciovati. „Acest prototip este încă puțin mai mic decât atât, dar demonstrează că acest design inovator, cu capacitatea de a răci cavitățile cu aceste dispozitive comerciale, este fezabil.”

Prin proiectarea, construirea și operarea cu succes a Prototip de accelerator de particule cu o combinație de piese fabricate în industrie și criocooler-uri comerciale cu conducție disponibile, cele două echipe au făcut un pas mare către transformarea acceleratoarelor SRF eficiente, compacte și fiabile în realitate pentru aplicațiile comerciale.

"A existat o implicare destul de mare cu partenerii industriali - de la fabricarea cavitatii si productie pana la testarea finala. Am fost foarte impresionat si multumit de cantitatea de expertiza tehnica, cunostinte si angajament pe care le-am gasit in toti partenerii industriali. Am lucrat cu", a spus Ciovati.

Următorul pas este să ne concentrăm pe o combinație de îmbunătățiri ale designului și teste ulterioare.

"Vom evalua consumul de energie mai mare. cavități care permit o penetrare mai profundă a fasciculului de electroni în materiale”, a spus Packard. „Ne concentrăm, de asemenea, pe construirea întregului sistem prin integrarea criomodulului cu subsisteme suplimentare, precum și pe investigarea modalităților de a face sistemul mai ieftin.”

(Fluierul)