La settimana scorsa, milioni di americani hanno scartato un tacchino incartato per il Ringraziamento. Se è così, devono grazie ai fasci di elettroni, che ha reso possibile la termoretrazione. Ma il fascio di elettroni può fare molto di più:può sterilizzare apparecchiature mediche, trattare le acque reflue e stampare parti metalliche. Gli acceleratori industriali che generano questi fasci di elettroni sono in rapida espansione. L'Illinois Accelerator Research Center (IARC) è in missione per costruire un ad alta potenza, compatto, acceleratore del fascio di elettroni superconduttore che servirà a tutti questi scopi.

Gli acceleratori di elettroni lineari ad alta potenza sono tipicamente costituiti da strutture chiamate cavità, che conferiscono energia al fascio di particelle, spingendolo in avanti. Una di queste cavità è la radiofrequenza superconduttiva, o SRF, cavità, che richiede temperature estremamente fredde per funzionare. Queste macchine utilizzano elio liquido per mantenere la temperatura necessaria 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. Sebbene tale infrastruttura sia appropriata per acceleratori di ricerca su larga scala, può essere troppo complesso e costoso per le applicazioni industriali. La barriera è la necessità di elio liquido ultrafreddo.

Con lo spirito mai dire impossibile del Fermilab, il nostro team allo IARC ha infranto questa barriera. Abbiamo per la prima volta raffreddato una cavità a radiofrequenza attiva a temperature criogeniche senza l'uso di elio liquido. Abbiamo ottenuto questo collegando una cavità a un criorefrigeratore disponibile in commercio, utilizzando una tecnologia brevettata dal Fermilab.

Come per ogni esperimento emozionante, il collegamento della cavità al criorefrigeratore è stato un compito significativo che ha richiesto l'analisi di vari materiali e la progettazione di componenti personalizzati. Il nostro team ha prodotto anelli di conduzione in 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 megavolt per metro su una singola cella, Cavità al niobio a 650 MHz. Abbiamo in programma di raggiungere gradienti fino a 10 megavolt per metro utilizzando criorefrigeratori di maggiore capacità 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.

La sostituzione dell'elio liquido con i criorefrigeratori plug-and-play rende gli acceleratori SRF accessibili all'industria rendendo gli acceleratori semplici, impianti chiavi in ​​mano.