De televisores a máquinas de raios X, muitas tecnologias modernas são possibilitadas por elétrons que foram estimulados por um acelerador de partículas. Agora, o Thomas Jefferson National Accelerator Facility do Departamento de Energia dos EUA trabalhou com a General Atomics e outros parceiros para desbloquear ainda mais aplicações, explorando o processo de projeto, prototipagem e teste de aceleradores de partículas que são mais poderosos e eficientes, ao mesmo tempo que são menos caros e volumosos. .



A pesquisa incluiu o projeto e a fabricação de elementos cruciais de um protótipo de acelerador de partículas, apresentando componentes de resfriamento comerciais avançados e novos materiais supercondutores. O protótipo foi testado com sucesso, demonstrando a viabilidade do projeto para aplicações comerciais. O trabalho foi publicado recentemente em Physical Review Accelerators and Beams.

Os membros da equipe do Jefferson Lab têm vasta experiência na construção de aceleradores de partículas avançados para pesquisa básica. Para este projeto, o Jefferson Lab subcontratou a General Atomics para começar a ir além das aplicações da tecnologia na pesquisa básica para buscar possíveis benefícios sociais.

Os pesquisadores começaram o trabalho concentrando-se nos componentes do acelerador de radiofrequência supercondutora (SRF), chamados cavidades ressonantes, no Jefferson Lab. Aceleradores de partículas construídos em cavidades SRF permitem algumas das máquinas de pesquisa mais poderosas do mundo, incluindo o próprio acelerador de feixe de elétrons contínuo do Jefferson Lab. CEBAF é uma instalação de usuário do DOE Office of Science que se dedica a revelar as estruturas subjacentes de prótons e nêutrons no núcleo do átomo.

Os aceleradores de partículas estimulam os elétrons, fornecendo-lhes energia extra medida em elétron-Volts (eV), “acelerando” assim os elétrons. Os elétrons, acelerados de maneira semelhante ao CEBAF, mas em uma escala muito menor, podem ser usados ​​para reproduzir imagens em uma tela de televisão, fazer raios X para imagens de pacientes ou limpar águas residuais e gases de combustão.

A necessidade de sistemas de frio

Embora as cavidades SRF sejam muito eficientes na aceleração de feixes de partículas, esses sistemas podem ser muito caros para construir e operar. Uma das maiores despesas são os requisitos de resfriamento. Numa máquina de investigação típica, por exemplo, as cavidades SRF devem ser extremamente frias – a 2 Kelvin ou -456° F, que é apenas alguns graus acima do zero absoluto – para alcançar a operação supercondutora mais eficiente.

"O meio típico de resfriar uma cavidade SRF é com um grande sistema chamado planta criogênica de hélio líquido. Esses sistemas são caros para instalar e operar", disse Drew Packard, cientista da divisão de Energia de Fusão Magnética (MFE) da General Atomics, quem está colaborando no projeto.

O hélio é comumente reconhecido como o gás usado para fazer balões flutuantes, porque é mais leve que o ar. O hélio liquefeito, mantido abaixo de 4,2 Kelvin, é o elemento escolhido para resfriar cavidades supercondutoras a temperaturas muito baixas. O hélio flui pela superfície externa das cavidades em um processo denominado convecção, removendo o calor e mantendo a temperatura baixa. Este processo é semelhante ao funcionamento de um ar condicionado.

As crioplantas necessárias para manter o hélio a esta baixa temperatura são complicadas de projetar e operar, conforme observado por Packard. O hélio também é um recurso relativamente raro e não renovável, com um processo de fabricação complexo.

A equipe da General Atomics projetou e testou um criostato horizontal que, em vez disso, resfria as cavidades usando resfriamento por condução. O sistema faz uso de sistemas criogênicos prontos, chamados de "cryocoolers". Esses dispositivos já são amplamente utilizados para resfriar ímãs supercondutores em máquinas de ressonância magnética (MRI) em hospitais.

Temperaturas muito baixas podem ser alcançadas enquanto se removem quantidades substanciais de calor montando a "cabeça fria" altamente condutora do crioresfriador diretamente na cavidade. O poder de resfriamento dos crioresfriadores comerciais tem aumentado constantemente nos últimos anos, com até 5 W a 4,2 Kelvin disponíveis atualmente.

"Uma das tecnologias inovadoras é a capacidade de resfriar a cavidade por condução com esses dispositivos comerciais compactos, em vez de ter plantas de resfriamento criogênico grandes, complexas e mais caras", disse Gianluigi "Gigi" Ciovati, cientista da equipe do Jefferson Lab que está liderando o projeto. "As crioplantas de hélio líquido não serão necessárias para o sistema em que estamos trabalhando."

Embora o hélio líquido continue a desempenhar um papel importante para grandes aceleradores que conduzem pesquisas básicas e aplicadas, as técnicas de resfriamento condutivo sem hélio abrirão caminho para tecnologias mais compactas que podem servir a outros propósitos.

Prototipando a cavidade

O sistema projetado pela equipe incorporou vários avanços de última geração, bem como alguns novos. Primeiro, o projeto da cavidade do acelerador de partículas trabalhado no Jefferson Lab tinha algumas características especiais.

Como a maioria das cavidades dos aceleradores de partículas SRF, ela era feita de um material chamado nióbio. O nióbio torna-se supercondutor em temperaturas próximas do zero absoluto. No entanto, esta cavidade protótipo tinha uma camada de um material especial de nióbio-estanho (Nb₃ Sn) adicionado à sua superfície interna. O nióbio-estanho torna-se supercondutor a uma temperatura mais elevada do que a do nióbio puro. O uso desse material significou que a cavidade do acelerador poderia funcionar com eficiência em mais de duas vezes as baixas temperaturas necessárias para o nióbio comum – além de 4 Kelvin.

A parte externa do projeto da cavidade do acelerador de partículas do protótipo também recebeu atenção especial. Primeiro recebeu uma fina camada (2 mm) de revestimento de cobre. Foi então cravejado com três abas de cobre, onde os sistemas crio-resfriadores poderiam ser fixados à cavidade. Por fim, recebeu uma espessa camada de revestimento de cobre (5 mm). Muito parecido com o de uma panela, o revestimento ajuda a cavidade a transferir calor com facilidade.

"Basicamente construímos uma manta térmica de cobre na parte externa da cavidade por meio de uma combinação de pulverização a frio e galvanoplastia. Isso fornece um caminho de alta condutividade térmica para que o calor gerado na superfície interna se mova para a superfície externa e depois em direção ao resfriador criogênico, ", explicou Ciovati.

Um protótipo de cavidade foi testado pela primeira vez no Jefferson Lab em um banho de hélio líquido a 4,3 Kelvin (-452° F). Isto é semelhante ao teste de desempenho que uma cavidade aceleradora receberia antes de ser instalada em uma máquina de pesquisa. Os testes estabelecem uma linha de base para o desempenho esperado.

Juntando tudo

Um protótipo de cavidade equipado de forma semelhante foi então enviado à General Atomics para seus testes em um protótipo de criostato horizontal, semelhante a um criomódulo usado em aceleradores de partículas baseados em SRF.

"Primeiro, o ar do criostato foi evacuado e, em seguida, a cavidade foi resfriada abaixo de seu limite supercondutor e excitada com um pequeno sinal de RF para demonstrar o gradiente de aceleração elétrica", disse Packard. "Com o diagnóstico, demonstramos que o desempenho da cavidade resfriada por condução atingiu as mesmas especificações dos testes anteriores de hélio líquido realizados no Jefferson Lab."

Embora resfriado a cerca de 4 Kelvin por apenas três crioresfriadores comerciais conectados, o componente atingiu um pico de campo magnético de superfície de 50 miliTesla, o mais alto já alcançado neste tipo de configuração, ao mesmo tempo que proporcionou operação estável.

O resultado atende aos requisitos de um acelerador capaz de produzir elétrons com ganho de energia de 1 MeV (1 milhão de elétrons-Volts), que poderá ser utilizado em aplicações de remediação ambiental. Feixes de elétrons próximos a essa energia são úteis para outros processos industriais, como processamento de materiais ou imagens.

"Os feixes de elétrons são úteis em uma variedade de aplicações comerciais. Esta tecnologia compacta de acelerador supercondutor tem um potencial considerável para remediação ambiental, sendo um exemplo a purificação de água", disse Packard. "A água não tratada pode conter concentrações perigosas de produtos químicos, como produtos farmacêuticos ou PFAS, bem como patógenos nocivos, como E. coli ou salmonela. Os feixes de elétrons são muito eficazes para separar e quebrar moléculas complexas e orgânicos em partículas mais básicas que são menos ameaça à saúde humana e ao meio ambiente”.

“Os aceleradores que estamos imaginando são capazes de fornecer entre um e 10 MeV”, disse Ciovati. “Este protótipo ainda é um pouco menor do que isso, mas demonstra que este design inovador, com a capacidade de resfriar as cavidades com esses dispositivos comerciais, é viável”.

Ao projetar, construir e operar com sucesso o protótipo do acelerador de partículas com uma combinação de peças fabricadas pela indústria e resfriadores criogênicos de condução comerciais prontos para uso, as duas equipes deram um grande passo para tornar os aceleradores SRF eficientes, compactos e confiáveis ​​uma realidade para uso comercial. formulários.

"Houve um grande envolvimento com os parceiros industriais - desde a fabricação da cavidade e a produção até os testes finais. Fiquei muito impressionado e satisfeito com a quantidade de experiência técnica, conhecimento e compromisso que encontrei em todos os parceiros industriais que encontrei. com quem trabalhei", disse Ciovati.

Seguindo em frente

A próxima etapa é focar em uma combinação de melhorias de design e testes adicionais.

“Vamos avaliar cavidades de alta energia que permitem uma penetração mais profunda do feixe de elétrons nos materiais”, disse Packard. “Também estamos focados na construção do sistema completo, integrando o criomódulo com subsistemas adicionais, bem como investigando maneiras de tornar o sistema mais barato”.

Mais informações: G. Ciovati et al, Desenvolvimento de um protótipo de cavidade supercondutora de radiofrequência para aceleradores resfriados por condução, Physical Review Accelerators and Beams (2023). DOI:10.1103/PhysRevAccelBeams.26.044701
Fornecido por Thomas Jefferson National Accelerator Facility