Semana Anterior, milhões de americanos desembrulharam um peru embrulhado para o Dia de Ação de Graças. Se então, eles devem graças aos feixes de elétrons, o que tornou possível a embalagem retrátil. Mas o feixe de elétrons pode fazer muito mais:pode esterilizar equipamentos médicos, tratar águas residuais e imprimir peças de metal. Os aceleradores industriais que geram esses feixes de elétrons estão se expandindo rapidamente. O Illinois Accelerator Research Center (IARC) tem a missão de construir um equipamento de alta potência, compactar, acelerador de feixe de elétrons supercondutor que atenderá a todos esses propósitos.

Os aceleradores lineares de elétrons de alta potência são normalmente feitos de estruturas chamadas de cavidades, que transmitem energia ao feixe de partículas, empurrando-o para frente. Uma dessas cavidades é a radiofrequência supercondutora, ou SRF, cavidade, que requer temperaturas extremamente baixas para operar. Essas máquinas usam hélio líquido para manter a temperatura necessária para sustentar a supercondutividade. A operação de hélio líquido exige infraestrutura complexa:uma planta de liquefação, linhas de distribuição, recuperação de gás, sistemas de purificação, e criomódulos de cavidade que podem suportar alta pressão. Embora tal infraestrutura seja apropriada para aceleradores de pesquisa em grande escala, pode ser muito complexo e caro para aplicações industriais. A barreira é a necessidade de hélio líquido ultracold.

Com o espírito inabalável do Fermilab, nossa equipe no IARC quebrou essa barreira. Pela primeira vez, resfriamos uma cavidade de radiofrequência ativa a temperaturas criogênicas sem o uso de hélio líquido. Conseguimos isso conectando uma cavidade a um resfriador criogênico disponível comercialmente, usando uma tecnologia patenteada do Fermilab.

Como em qualquer experimento empolgante, conectar a cavidade ao resfriador criogênico era uma tarefa significativa que exigia a investigação de vários materiais e o projeto de componentes personalizados. Nossa equipe produziu anéis de condução de nióbio e os conectou ao revestimento da cavidade usando soldagem por feixe de elétrons. Eles também desenvolveram juntas de nióbio-alumínio que permitiam que o calor fluísse facilmente da cavidade para o cri resfriador. Para gerar calor na cavidade, a equipe usou um driver de radiofrequência plug-and-play simples, como em aceleradores de laboratório.

Gradientes eletromagnéticos são gerados dentro de cavidades SRF; gradientes mais fortes transmitem mais energia ao feixe. Esta primeira operação livre de criogenia produziu um gradiente de 0,5 megavolts por metro em uma única célula, Cavidade de nióbio de 650 MHz. Planejamos atingir gradientes de até 10 megavolts por metro usando resfriadores criogênicos de maior capacidade e capitalizando outros avanços recentes na tecnologia de cavidade. A equipe está explorando a aplicação da tecnologia de refrigeração por condução para frequências mais altas, cavidades multicelulares, e outras estruturas de radiofrequência.

Substituir o hélio líquido por resfriadores criogênicos plug-and-play torna os aceleradores SRF acessíveis à indústria, tornando os aceleradores simples, sistemas chave na mão.