Cientistas e engenheiros do Fermilab alcançaram um resultado marcante em um esforço contínuo para projetar e construir compactos, aceleradores de partículas portáteis. Nosso grupo demonstrou com sucesso um novo, maneira eficiente de resfriar componentes do acelerador supercondutor, reduzindo a maior parte da infraestrutura de resfriamento tradicional necessária para esta tecnologia.

A importância desse avanço é aparente se você andar pelo local do Fermilab. Você realmente não pode perder:aceleradores de partículas construídos para descoberta são grandes máquinas. Eles se estendem por centenas de metros, até mesmo quilômetros. Eles também exigem uma infraestrutura grande e complexa, o que restringe seu uso principalmente a laboratórios de pesquisa científica.

E ainda, aceleradores de partículas são ferramentas muito úteis fora dos laboratórios de pesquisa científica. Eles têm aplicações em segurança, Medicina, fabricação, e estradas. E seu impacto poderia ser ainda maior se pudéssemos tornar compactas essas máquinas tradicionalmente gigantes. Miniaturize-os. Projete aceleradores de alta potência que cabem, literalmente, dentro da traseira de um caminhão.

No Fermilab, nós apreciamos esses desafios de física prática. E no mês passado, nossa equipe superou o desafio, alcançar um marco importante em nossa busca para concretizar o poderoso, aceleradores compactos que têm impacto em nossas vidas diárias. A equipe principal incluiu Ram Dhuley, Michael Geelhoed, Sam Posen e Charles Thangaraj.

Combinando o entusiasmo pela praticidade com a ciência de ponta, nossa equipe demonstrou com sucesso um novo, método revolucionário para resfriar uma cavidade de acelerador supercondutor sem usar hélio líquido - contra-intuitivo para a maioria na ciência de aceleradores.

Este novo método - baseado em uma ideia do Fermilab patenteada há cinco anos - usa refrigeradores criogênicos, ou resfriadores criogênicos, para remover o calor dissipado por uma cavidade do acelerador supercondutor. Ao comprimir e expandir o gás hélio através de um trocador de calor regenerativo em um ciclo "fechado", os crioresfriadores produzem resfriamento sem deixar o hélio sair. Essa operação de ciclo fechado de resfriadores criogênicos torna nosso sistema muito compacto - mais do que o equipamento de resfriamento de hélio líquido padrão usado por cavidades de aceleradores tradicionais.

Cavidades supercondutoras são componentes cruciais em aceleradores de partículas, impulsionando o feixe de partículas para energias mais altas, dando-lhe um impulso eletromagnético. Usamos uma cavidade de nióbio de 650 megahertz, e todos nós assistimos com orgulho os primeiros resultados bem-sucedidos entregues por nosso novo método:um gradiente de acelerador de 6,6 milhões de volts por metro. Isso já é suficiente para as aplicações que temos em mente, e ainda, sabemos que podemos fazer melhor.

Cavidades supercondutoras usadas em grandes aceleradores são geralmente resfriadas a cerca de 2 Kelvin, mais frio do que os 2,7 kelvins (menos 455 graus Fahrenheit) do espaço sideral. A maneira típica de conseguir isso é imergindo as cavidades em hélio líquido e bombeando o hélio para diminuir sua pressão, e, portanto, sua temperatura. Tudo isso requer sistemas criogênicos grandes e complexos - um fator que limita severamente a portabilidade e, portanto, as aplicações potenciais de aceleradores supercondutores em ambientes industriais e outros.

Nossa equipe quebrou essa barreira ao realizar com sucesso uma técnica conceituada pelo físico do Fermilab Bob Kephart, agora aposentado. A técnica proposta para tornar os aceleradores supercondutores práticos por 1) revestimento de uma fina camada de um material denominado nióbio-estanho no interior das cavidades de nióbio, e 2) resfriar as cavidades revestidas usando resfriadores criogênicos por meio de ligações de condução que conectam os dois. A configuração da cavidade criogênica dispensa um banho de líquido criogênico e qualquer necessidade de uma planta criogênica para atingir a supercondutividade.

A demonstração também mostra como este método pode simplificar aceleradores supercondutores e torná-los acessíveis para necessidades mais amplas além da ciência básica - melhores pavimentos, tratamento de água poluída, esterilização de dispositivos médicos, e manufatura avançada.

Aplicar os avanços científicos do Fermilab e transformá-los para resolver desafios fora da ciência fundamental envolve pensamento empreendedor sistemático - identificar uma oportunidade e perguntar e responder a uma série de perguntas para validar a oportunidade. Um grande valor em tudo isso é converter o investimento do DOE em ciência e tecnologia em inovação que poderia permitir o surgimento de novas indústrias.

No Fermilab, continuaremos a aplicar nossas tecnologias de ponta para novas aplicações além da ciência da descoberta. Este grande avanço é um passo empolgante nessa direção, e continuaremos a empurrar o envelope.