Dai televisori alle macchine a raggi X, molte tecnologie moderne sono abilitate da elettroni che sono stati potenziati da un acceleratore di particelle. Ora, la Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha collaborato con General Atomics e altri partner per sbloccare ancora più applicazioni esplorando il processo di progettazione, prototipazione e test di acceleratori di particelle più potenti ed efficienti, ma anche meno costosi e ingombranti. .
La ricerca ha compreso la progettazione e la fabbricazione di elementi cruciali di un prototipo di acceleratore di particelle, dotato di componenti di raffreddamento commerciali avanzati e di nuovi materiali superconduttori. Il prototipo è stato testato con successo, dimostrando la fattibilità del progetto per applicazioni commerciali. Il lavoro è stato recentemente pubblicato in Physical Review Accelerators and Beams.
I membri del team del Jefferson Lab hanno una vasta esperienza nella costruzione di acceleratori di particelle avanzati per la ricerca di base. Per questo progetto, il Jefferson Lab ha stipulato un subappalto con General Atomics per iniziare ad andare oltre le applicazioni della tecnologia nella ricerca di base per guardare a possibili vantaggi per la società.
I ricercatori hanno iniziato il lavoro concentrandosi sui componenti dell’acceleratore di radiofrequenza superconduttiva (SRF) chiamati cavità risonanti presso il Jefferson Lab. Gli acceleratori di particelle costruiti su cavità SRF abilitano alcune delle macchine di ricerca più potenti al mondo, incluso l'impianto di accelerazione a fascio di elettroni continui del Jefferson Lab. CEBAF è una struttura utente del DOE Office of Science dedicata alla rivelazione delle strutture sottostanti di protoni e neutroni nel nucleo dell'atomo.
Gli acceleratori di particelle stimolano gli elettroni fornendo loro energia extra misurata in elettronvolt (eV), "accelerando" così gli elettroni. Gli elettroni, accelerati in modo simile al CEBAF ma su scala molto più piccola, possono essere utilizzati per riprodurre immagini su uno schermo televisivo, eseguire raggi X per visualizzare pazienti o ripulire le acque reflue e i gas di scarico.
Sebbene le cavità SRF siano molto efficienti nell’accelerare i fasci di particelle, questi sistemi possono essere molto costosi da costruire e gestire. Una delle spese maggiori è il fabbisogno di raffreddamento. In una tipica macchina di ricerca, ad esempio, le cavità SRF devono essere estremamente fredde, a 2 Kelvin o -456° F, ovvero solo pochi gradi sopra lo zero assoluto, per ottenere il funzionamento superconduttivo più efficiente.
"Il mezzo tipico per raffreddare una cavità SRF è con un grande sistema chiamato impianto criogenico a elio liquido. Questi sistemi sono costosi da installare e gestire", ha affermato Drew Packard, uno scienziato della divisione Magnetic Fusion Energy (MFE) della General Atomics, chi sta collaborando al progetto.
L'elio è comunemente riconosciuto come il gas utilizzato per realizzare palloncini galleggianti, perché è più leggero dell'aria. L'elio liquefatto, mantenuto al di sotto di 4,2 Kelvin, è l'elemento scelto per raffreddare le cavità superconduttrici a temperature molto basse. L'elio scorre sulla superficie esterna delle cavità in un processo chiamato convezione, rimuovendo il calore e mantenendo bassa la temperatura. Questo processo è simile al funzionamento di un condizionatore d'aria.
I crioimpianti necessari per mantenere l’elio a questa bassa temperatura sono complicati da progettare e gestire, come notato da Packard. L'elio è anche una risorsa relativamente rara e non rinnovabile con un processo di produzione complesso.
Il team di General Atomics ha progettato e testato un criostato orizzontale che invece raffredda le cavità utilizzando il raffreddamento per conduzione. Il sistema fa uso di sistemi criogenici già pronti chiamati "criorefrigeratori". Questi dispositivi sono già ampiamente utilizzati per raffreddare i magneti superconduttori nelle macchine per la risonanza magnetica (MRI) negli ospedali.
È possibile ottenere temperature molto basse rimuovendo notevoli quantità di calore montando la "testa fredda" altamente conduttiva del criorefrigeratore direttamente nella cavità. La potenza di raffreddamento dei criorefrigeratori commerciali è aumentata costantemente negli ultimi anni, con attualmente disponibili fino a 5 W a 4,2 Kelvin.
"Una delle tecnologie rivoluzionarie è la capacità di raffreddare la cavità per conduzione con questi dispositivi commerciali compatti, invece di avere impianti di raffreddamento criogenici grandi, complessi e più costosi", ha affermato Gianluigi "Gigi" Ciovati, uno scienziato del Jefferson Lab che sta guidando il progetto. "I crioimpianti a elio liquido non saranno necessari per il sistema su cui stiamo lavorando."
Mentre l'elio liquido continuerà a svolgere un ruolo importante per i grandi acceleratori che conducono ricerca di base e applicata, le tecniche di raffreddamento conduttivo prive di elio apriranno la strada a tecnologie più compatte che possono servire ad altri scopi.
Prototipazione della cavità
Il sistema progettato dal team incorporava diversi progressi all'avanguardia, oltre ad alcuni nuovi. Innanzitutto, il design della cavità dell'acceleratore di particelle su cui si è lavorato al Jefferson Lab aveva alcune caratteristiche speciali.
Come la maggior parte delle cavità degli acceleratori di particelle SRF, era costituito da un materiale chiamato niobio. Il niobio diventa superconduttore a temperature prossime allo zero assoluto. Tuttavia, questa cavità prototipo aveva uno strato di uno speciale materiale niobio-stagno (Nb3 Sn) aggiunto alla sua superficie interna. Il niobio-stagno diventa superconduttore a una temperatura più elevata di quella del niobio puro. L'utilizzo di questo materiale significava che la cavità dell'acceleratore poteva funzionare in modo efficiente a più del doppio delle basse temperature necessarie per il niobio ordinario, oltre 4 Kelvin.
Anche l'esterno del prototipo della cavità dell'acceleratore di particelle ha ricevuto un'attenzione particolare. Innanzitutto ha ricevuto un sottile strato (2 mm) di rivestimento in rame. Era poi tempestato di tre linguette di rame, dove i sistemi di criorefrigerazione potevano essere fissati alla cavità. Infine, ha ricevuto uno spesso strato di rivestimento in rame (5 mm). Proprio come in una pentola, il rivestimento aiuta la cavità a trasferire facilmente il calore.
"Fondamentalmente abbiamo costruito una coperta termica in rame all'esterno della cavità mediante una combinazione di spruzzo freddo e galvanica. Ciò fornisce un percorso ad alta conduttività termica affinché il calore generato sulla superficie interna si sposti verso la superficie esterna e quindi verso il criorefrigeratore, " ha spiegato Ciovati.
Una cavità prototipo è stata testata per la prima volta presso il Jefferson Lab in un bagno di elio liquido a 4,3 Kelvin (-452° F). Questo è simile al test delle prestazioni che una cavità accelerante riceverebbe prima di essere installata in una macchina di ricerca. I test stabiliscono una base per le prestazioni previste.
Un prototipo di cavità equipaggiato in modo simile è stato poi spedito a General Atomics per i test in un prototipo di criostato orizzontale, simile a un criomodulo utilizzato negli acceleratori di particelle basati su SRF.
"In primo luogo, il criostato è stato evacuato dall'aria, quindi la cavità è stata raffreddata al di sotto della soglia superconduttiva ed eccitata con un piccolo segnale RF per dimostrare il gradiente di accelerazione elettrica", ha affermato Packard. "Con la diagnostica, abbiamo dimostrato che le prestazioni della cavità raffreddata per conduzione raggiungevano le stesse specifiche dei precedenti test sull'elio liquido eseguiti presso il Jefferson Lab."
Mentre veniva raffreddato a circa 4 Kelvin da soli tre criorefrigeratori commerciali collegati, il componente ha raggiunto un campo magnetico superficiale di picco di 50 milliTesla, il più alto mai raggiunto in questo tipo di configurazione, garantendo allo stesso tempo un funzionamento stabile.
Il risultato soddisfa i requisiti per un acceleratore in grado di produrre elettroni con un guadagno energetico di 1 MeV (1 milione di elettronvolt), che potrebbe trovare impiego in applicazioni di bonifica ambientale. I fasci di elettroni vicini a questa energia sono utili per altri processi industriali, come la lavorazione dei materiali o l'imaging.
"I fasci di elettroni sono utili in una varietà di applicazioni commerciali. Questa tecnologia di accelerazione superconduttrice compatta ha un notevole potenziale per il risanamento ambientale, un esempio è la purificazione dell'acqua", ha affermato Packard. "L'acqua non trattata può contenere concentrazioni pericolose di sostanze chimiche come prodotti farmaceutici o PFAS, nonché di agenti patogeni dannosi come E. coli o salmonella. I fasci di elettroni sono molto efficaci nel fare a pezzi e scomporre molecole complesse e sostanze organiche in particelle più basilari che sono meno una minaccia per la salute umana e l'ambiente."
"Gli acceleratori che stiamo immaginando sono in grado di fornire tra uno e 10 MeV", ha detto Ciovati. "Questo prototipo è ancora un po' più piccolo, ma dimostra che questo design innovativo, con la capacità di raffreddare le cavità con questi dispositivi commerciali, è fattibile."
Progettando, costruendo e utilizzando con successo il prototipo dell'acceleratore di particelle con una combinazione di parti prodotte dall'industria e criorefrigeratori a conduzione commerciale disponibili sul mercato, i due team hanno compiuto un grande passo avanti verso la trasformazione di acceleratori SRF efficienti, compatti e affidabili in una realtà per il mercato commerciale. applicazioni.
"C'è stato un notevole coinvolgimento con i partner industriali, dalla fabbricazione della cavità e dalla produzione fino al collaudo finale. Sono rimasto molto colpito e soddisfatto dalla quantità di competenza tecnica, conoscenza e impegno che ho trovato in tutti i partner industriali che ho con cui abbiamo lavorato", ha detto Ciovati.
Il passo successivo è concentrarsi su una combinazione di miglioramenti del design e ulteriori test.
"Valuteremo le cavità ad alta energia che consentono una penetrazione più profonda del fascio di elettroni nei materiali", ha detto Packard. "Siamo inoltre concentrati sulla realizzazione del sistema completo integrando il criomodulo con sottosistemi aggiuntivi, oltre a studiare modi per rendere il sistema più economico."
Ulteriori informazioni: G. Ciovati et al, Sviluppo di un prototipo di cavità a radiofrequenza superconduttiva per acceleratori raffreddati per conduzione, Acceleratori e fasci di revisione fisica (2023). DOI:10.1103/PhysRevAccelBeams.26.044701
Fornito da Thomas Jefferson National Accelerator Facility
