Gli acceleratori di particelle sono costituiti da strutture chiamate cavità, che conferiscono energia al fascio di particelle, calciandolo in avanti. Un tipo di cavità è la radiofrequenza superconduttiva, o SRF, cavità. Solitamente fatto di niobio, Le cavità SRF richiedono un freddo estremo per funzionare. Un team del Fermilab ha sviluppato un nuovo modo di raffreddare le cavità SRF senza elio liquido. Il nuovo sistema è più facile da usare e più semplice da costruire.

I fasci di elettroni potrebbero aiutare a pulire l'acqua e riparare le strade. La barriera è la necessità di elio liquido ultrafreddo. Per la prima volta, una squadra ha raffreddato una cavità di un acceleratore superconduttore senza elio liquido. La sostituzione dell'elio liquido con dispositivi plug-and-play chiamati criorefrigeratori potrebbe rendere la tecnologia SRF disponibile per l'industria. Gli acceleratori SRF ad alta efficienza energetica possono fornire fasci di elettroni ad alta potenza media. Le travi potrebbero rafforzare i materiali, ricostruire pavimentazione in asfalto, trattare le acque reflue, e altro ancora.

Tutti gli acceleratori di particelle SRF fino ad oggi utilizzano elio liquido per mantenere le temperature estremamente fredde necessarie per sostenere la superconduttività. Il funzionamento dell'elio liquido richiede infrastrutture complesse:un impianto di liquefazione, linee di distribuzione, recupero del gas, sistemi di depurazione, e criomoduli cavità in grado di resistere ad alta pressione. Ci sono anche rischi per la sicurezza associati al funzionamento dell'elio liquido. Sebbene tale infrastruttura sia appropriata per acceleratori di ricerca su larga scala, può essere troppo complesso e costoso per le applicazioni industriali.

Per la prima volta, un team dell'Illinois Accelerator Research Center del Fermilab ha raffreddato una cavità in accelerazione a temperature criogeniche senza l'uso di elio liquido. Hanno raggiunto questo obiettivo collegando una cavità a un criorefrigeratore disponibile in commercio, utilizzando una tecnologia brevettata dal Fermilab.

Il collegamento della cavità al criorefrigeratore è stata una sfida significativa che ha richiesto lo studio di vari materiali e la progettazione di componenti personalizzati. Il team ha prodotto anelli di conduzione di niobio e li ha collegati al guscio della cavità mediante saldatura a fascio di elettroni. Hanno anche sviluppato giunti al niobio-alluminio che hanno permesso al calore di fluire facilmente dalla cavità al criorefrigeratore. Per generare calore nella cavità, il team ha utilizzato un semplice driver a radiofrequenza plug-and-play, come negli acceleratori di laboratorio.

I gradienti elettromagnetici sono generati all'interno delle cavità SRF; gradienti più forti conferiscono più energia al raggio. Questa prima operazione senza criogeno ha prodotto un gradiente di 0,5 MV/m su una singola cella, Cavità al niobio a 650 MHz. I ricercatori del Fermilab prevedono di raggiungere presto gradienti fino a 10 MV/m utilizzando criorefrigeratori di capacità più elevata e sfruttando altri recenti progressi nella tecnologia delle cavità. Il team sta esplorando l'applicazione della tecnologia di raffreddamento a conduzione a frequenze più elevate, cavità multicellulari, e altre strutture a radiofrequenza.