Os aceleradores de partículas são feitos de estruturas chamadas cavidades, que transmitem energia ao feixe de partículas, chutando para frente. Um tipo de cavidade é a radiofrequência supercondutora, ou SRF, cavidade. Normalmente feito de nióbio, As cavidades SRF requerem frio extremo para operar. Uma equipe do Fermilab desenvolveu uma nova forma de resfriar as cavidades SRF sem hélio líquido. O novo sistema é mais fácil de operar e simples de construir.

Feixes de elétrons podem ajudar a limpar a água e consertar estradas. A barreira é a necessidade de hélio líquido ultra-frio. Pela primeira vez, uma equipe resfriou uma cavidade do acelerador supercondutor sem hélio líquido. A substituição do hélio líquido por dispositivos plug-and-play chamados de resfriadores criogênicos pode tornar a tecnologia SRF disponível para a indústria. Aceleradores SRF eficientes em energia podem fornecer feixes de elétrons de alta potência média. As vigas podem fortalecer os materiais, reconstruir o pavimento asfáltico, tratar águas residuais, e mais.

Todos os aceleradores de partículas SRF atuais usam hélio líquido para manter as temperaturas extremamente baixas necessárias 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. Existem também riscos de segurança associados à operação do hélio líquido. Embora tal infraestrutura seja apropriada para aceleradores de pesquisa em grande escala, pode ser muito complexo e caro para aplicações industriais.

Pela primeira vez, uma equipe do Illinois Accelerator Research Center do Fermilab resfriou uma cavidade em aceleração a temperaturas criogênicas sem o uso de hélio líquido. Eles conseguiram isso conectando uma cavidade a um resfriador criogênico disponível comercialmente, usando uma tecnologia patenteada do Fermilab.

Conectar a cavidade ao resfriador criogênico foi um desafio significativo que exigiu a investigação de vários materiais e o projeto de componentes personalizados. A equipe produziu anéis de condução de nióbio e os conectou à concha 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 criogênio produziu um gradiente de 0,5 MV / m em uma única célula, Cavidade de nióbio de 650 MHz. Os pesquisadores do Fermilab planejam atingir em breve gradientes de até 10 MV / m 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.