p Os blocos de construção dos aceleradores supercondutores são cavidades de radiofrequência supercondutora (SRF) feitas principalmente de nióbio que são combinadas em um recipiente e banhadas em hélio líquido para atingir temperaturas supercondutoras. Embora uma grande planta criogênica de hélio líquido possa ser prática para uma grande instalação de pesquisa, pode ser uma barreira para novas aplicações dessa tecnologia de acelerador. p Agora, avanços na tecnologia de cavidade, o desenvolvimento de materiais e resfriadores criogênicos pode diminuir essa barreira para aplicações industriais e médicas da tecnologia SRF. Depois de completar mais de 5, 000 testes de cavidade na área de teste vertical (VTA) usando hélio líquido, este ano, uma equipe do Departamento de P&D do SRF Institute no Jefferson Lab resfriou e testou com sucesso uma cavidade SRF pela primeira vez em um dos criostatos verticais do VTA sem qualquer hélio líquido.

p Como isso foi feito? Uma série de iniciativas em andamento se uniram para tornar isso possível.

p O primeiro componente crítico é o uso de um resfriador criogênico para resfriar a cavidade SRF. Um cri resfriador é um refrigerador de ciclo fechado que requer apenas um pequeno volume de gás hélio e oferece uma série de vantagens - sendo fácil de operar, compactar, confiável e um item de prateleira comercial. Com resfriadores criogênicos já sendo usados ​​para resfriar ímãs supercondutores em máquinas de ressonância magnética (MRI) em hospitais, e com o atual interesse industrial no crescimento da tecnologia de aceleradores, O Jefferson Lab foi motivado a desenvolver ainda mais a tecnologia SRF para atender a essa necessidade.

p Novos revestimentos, Novas Capacidades

p O próximo elemento foram os avanços no uso do composto de nióbio-estanho Nb ₃ Sn, que tem uma temperatura de transição supercondutora mais alta, para cavidades SRF. Jefferson Lab tem desenvolvido Nb de alto desempenho ₃ Cavidades Sn desde 2013, baseado no trabalho de Grigory Eremeev, que recebeu o prêmio de início de carreira do Departamento de Energia em 2016. A principal vantagem oferecida por essas cavidades de nióbio-estanho é que elas permanecem supercondutoras ao dobro das temperaturas exigidas pelas cavidades de aceleração de nióbio puro, e podem operar com mais eficiência em uma temperatura mais alta do que os Nb. O uso dessa tecnologia pode fornecer economias significativas de custos operacionais para aceleradores futuros. A pesquisa no Jefferson Lab resultou em Nb de excelente qualidade ₃ Sn revestimentos de filme fino em vários tipos diferentes de cavidades SRF. Uma cavidade de célula única Nb de volume específico de 1,5 GHz, em que um Nb ₃ O filme Sn foi desenvolvido, foi escolhido para integração com um resfriador criogênico.

p Usando um resfriador criogênico, a superfície da cavidade não é resfriada diretamente por hélio líquido, tornando a cavidade mais suscetível à degradação térmica, particularmente se houver defeitos. Portanto, a superfície externa da cavidade foi revestida com alguns milímetros de espessura, camada de cobre de alta pureza. Cobre (Cu), que tem maior condutividade térmica do que Nb, aumenta a transferência de calor para o resfriador criogênico. Isso foi conseguido com a camada de Cu depositada na cavidade usando métodos padrão em um vendedor comercial.

p A equipe do Jefferson Lab então projetou e construiu uma bancada de teste segurando a cavidade e o cri resfriador para caber em um dos criostatos VTA existentes para servir como um recipiente a vácuo para conduzir o teste. Os resultados do teste de RF foram próximos aos medidos no hélio líquido. "Conseguimos atingir um campo magnético de superfície de pico de 29 mT, correspondendo a um gradiente de aceleração de 6,5 MV / m, e poderíamos operar a cavidade a 5 W de potência dissipada sem qualquer instabilidade térmica, "diz Gigi Ciovati, um cientista acelerador conduzindo esta pesquisa. Esses resultados são semelhantes ao que foi alcançado recentemente no Fermilab usando uma configuração diferente de resfriamento por condução.

p Industrializando a Tecnologia SRF

p Qual é o significado deste trabalho? Embora a manutenção e operação de uma crioplante de hélio líquido para operar cavidades SRF seja padrão em um laboratório nacional como o Jefferson Lab, para empresas que buscam aplicações industriais ou médicas de tecnologia SRF eficiente, é uma barreira significativa. Uma dessas aplicações é uma de baixa energia, acelerador de elétrons de alta potência para o tratamento de águas residuais ou gases de combustão. O Jefferson Lab já projetou um desses aceleradores com base em uma cavidade SRF resfriada por condução [G. Ciovati et al., Phys. Rev. Accel. Beams 21, 091601 (2018)], e os resultados experimentais alcançados tanto no Jefferson Lab quanto no Fermilab colocam o projeto em uma base muito mais sólida.

p "O próximo passo, nos próximos dois anos e meio, é demonstrar que podemos atingir um campo de superfície de pico correspondente a um ganho de energia de 1 MeV, a energia do feixe necessária para o acelerador de remediação ambiental que projetamos, em uma cavidade SRF refrigerada por condução dentro de um criomódulo horizontal, "diz Ciovati, que recebeu uma bolsa do programa DOE Accelerator Stewardship para realizar este trabalho. A indústria estará fortemente envolvida no projeto, com o teste de RF final sendo conduzido na General Atomics, Parceiro industrial do Jefferson Lab.