Cavità in rame/niobio/stagno collegata al criorefrigeratore. Credito:Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti
Gli elementi costitutivi degli acceleratori superconduttori sono cavità a radiofrequenza superconduttiva (SRF) costituite principalmente da niobio che vengono combinate in un recipiente e immerse in elio liquido per raggiungere temperature superconduttive. Mentre un grande impianto di criogenia ad elio liquido può essere pratico per un importante centro di ricerca, può essere una barriera per nuove applicazioni di questa tecnologia di accelerazione.
Ora, progressi nella tecnologia delle cavità, i materiali e lo sviluppo di criorefrigeratori possono ridurre questa barriera alle applicazioni industriali e mediche della tecnologia SRF. Dopo aver completato più di 5, 000 prove in cavità nella Vertical Test Area (VTA) utilizzando elio liquido, quest'anno un team del dipartimento di ricerca e sviluppo dell'Istituto SRF al Jefferson Lab ha raffreddato e testato con successo per la prima volta una cavità SRF in uno dei criostati verticali del VTA senza elio liquido.
Come è stato realizzato? Una serie di iniziative in corso si sono unite per renderlo possibile.
Il primo componente critico è l'uso di un criorefrigeratore per raffreddare la cavità SRF. Un criorefrigeratore è un frigorifero a ciclo chiuso che richiede solo un piccolo volume di gas elio e offre una serie di vantaggi:facilità di funzionamento, compatto, affidabile e un articolo commerciale pronto all'uso. Con i criorefrigeratori già utilizzati per raffreddare i magneti superconduttori nelle macchine per la risonanza magnetica (MRI) negli ospedali, e con l'attuale interesse industriale per la crescita della tecnologia degli acceleratori, Jefferson Lab era motivato a sviluppare ulteriormente la tecnologia SRF per rispondere a questa esigenza.
Nuovi rivestimenti, Nuove funzionalità
L'elemento successivo sono stati i progressi nell'uso del composto niobio-stagno Nb 3 Sn, che ha una temperatura di transizione superconduttiva più alta, per cavità SRF. Jefferson Lab ha sviluppato Nb . ad alte prestazioni 3 Cavità Sn dal 2013, basato sul lavoro di Grigory Eremeev, che ha ricevuto un 2016 Department of Energy Early Career Award. Un vantaggio chiave offerto da queste cavità niobio-stagno è che rimangono superconduttrici a temperature doppie rispetto a quelle richieste dalle cavità acceleratrici di niobio puro, e può funzionare in modo più efficiente a una temperatura superiore a quelle di Nb. L'utilizzo di questa tecnologia potrebbe fornire significativi risparmi sui costi operativi per i futuri acceleratori. La ricerca presso Jefferson Lab ha portato a un'eccellente qualità Nb 3 Rivestimenti a film sottile Sn su diversi tipi di cavità SRF. Una cavità specifica a cella singola bulk Nb da 1,5 GHz, su cui un Nb 3 Sn film è stato coltivato, è stato scelto per l'integrazione con un criorefrigeratore.
Utilizzando un criorefrigeratore, la superficie della cavità non è direttamente raffreddata da elio liquido, rendendo la cavità più suscettibile alla rottura termica, soprattutto se sono presenti difetti. Pertanto la superficie esterna della cavità è stata rivestita con uno spessore di pochi millimetri, strato di rame ad alta purezza. Rame (Cu), che ha una conducibilità termica maggiore di Nb, migliora il trasferimento di calore al criorefrigeratore. Ciò è stato ottenuto facendo depositare lo strato di Cu sulla cavità utilizzando metodi standard presso un fornitore commerciale.
Il team del Jefferson Lab ha quindi progettato e costruito un banco di prova che contiene la cavità e il criorefrigeratore da inserire in uno dei criostati VTA esistenti per fungere da recipiente a vuoto per condurre il test. I risultati del test RF erano vicini a quelli misurati nell'elio liquido. "Siamo stati in grado di raggiungere un campo magnetico superficiale di picco di 29 mT, corrispondente ad un gradiente di accelerazione di 6,5 MV/m, e potremmo far funzionare la cavità a 5 W di potenza dissipata senza alcuna instabilità termica, " dice Gigi Ciovati, uno scienziato dell'acceleratore che conduce questa ricerca. Questi risultati sono simili a quelli ottenuti di recente al Fermilab utilizzando una diversa configurazione di raffreddamento a conduzione.
Industrializzazione della tecnologia SRF
Qual è il significato di questo lavoro? Mentre mantenere e far funzionare un crioimpianto di elio liquido per far funzionare le cavità SRF è standard in un laboratorio nazionale come Jefferson Lab, per le aziende che perseguono applicazioni industriali o mediche della tecnologia SRF efficiente è una barriera significativa. Una di queste applicazioni è un basso consumo energetico, acceleratore di elettroni ad alta potenza per il trattamento di acque reflue o fumi. Già Jefferson Lab ha progettato uno di questi acceleratori basato su una cavità SRF raffreddata per conduzione [G. Ciovati et al., Fis. Rev. Accel. travi 21, 091601 (2018)], e i risultati sperimentali ottenuti sia al Jefferson Lab che al Fermilab mettono il design su basi molto più solide.
"Il prossimo passo, nei prossimi due anni e mezzo, è dimostrare che possiamo ottenere un campo superficiale di picco corrispondente ad un guadagno di energia di 1 MeV, l'energia del fascio necessaria per l'acceleratore per la bonifica ambientale che abbiamo progettato, in una cavità SRF raffreddata a conduzione all'interno di un criomodulo orizzontale, "dice Ciovati, che ha ricevuto una sovvenzione dal programma DOE Accelerator Stewardship per svolgere questo lavoro. L'industria sarà fortemente coinvolta nel progetto, con il test RF finale condotto presso la General Atomics, Partner industriale di Jefferson Lab.
