От телевизоров до рентгеновских аппаратов — многие современные технологии создаются за счет электронов, ускоренных с помощью ускорителя частиц. Теперь Национальный ускорительный комплекс Томаса Джефферсона Министерства энергетики США сотрудничает с General Atomics и другими партнерами, чтобы открыть еще больше приложений, исследуя процесс проектирования, создания прототипов и испытаний ускорителей частиц, которые являются более мощными и эффективными, но при этом менее дорогими и громоздкими.

Исследование включало проектирование и изготовление важнейших элементов прототипа ускорителя частиц , включающего в себя передовые готовые коммерческие охлаждающие компоненты и новые сверхпроводящие материалы. Прототип успешно прошел испытания, продемонстрировав возможность использования конструкции для коммерческого применения . Работа была недавно опубликована в журнале Physical Review Accelerators and Beams.

Члены команды лаборатории Джефферсона имеют обширный опыт создания современных ускорителей частиц для фундаментальных исследований. В рамках этого проекта лаборатория Джефферсона заключила субподряд с General Atomics, чтобы начать выходить за рамки применения технологии в фундаментальных исследованиях и искать возможные социальные выгоды.

Исследователи начали работу, сосредоточившись на компонентах сверхпроводящих радиочастотных (SRF) ускорителей, называемых резонансными полостями в лаборатории Джефферсона. Ускорители частиц, построенные на резонаторах SRF, позволяют использовать некоторые из самых мощных исследовательских машин в мире, в том числе собственный ускоритель непрерывного электронного пучка лаборатории Джефферсона. CEBAF — это пользовательский центр Управления науки Министерства энергетики США, целью которого является выявление основных структур протонов и нейтронов в ядре атома.

Ускорители частиц ускоряют электроны, давая им дополнительную энергию, измеряемую в электрон-вольтах (эВ), тем самым «ускоряя» электроны. Электроны, ускоренные тем же способом, что и в CEBAF, но в гораздо меньшем масштабе, можно использовать для визуализации изображений на телевизионном экране, для получения рентгеновских снимков для визуализации пациентов или для очистки сточных вод и дымовых газов.

Необходимость в холодных системах

Хотя резонаторы SRF очень эффективны для ускорения пучков частиц, создание и эксплуатация этих систем может быть очень дорогой. Одна из самых больших затрат — это требования к охлаждению. Например, в типичной исследовательской машине полости SRF должны быть чрезвычайно холодными — при температуре 2 Кельвина или -456° F, что всего на несколько градусов выше абсолютного нуля — для достижения наиболее эффективной сверхпроводящей работы.

«Типичным способом охлаждения полости SRF является большая система, называемая криогенной установкой с жидким гелием . Эти системы дороги в установке и эксплуатации», — сказал Дрю Паккард, ученый из подразделения Magnetic Fusion Energy (MFE) компании General Atomics. кто сотрудничает в проекте.

Гелий широко известен как газ, используемый для изготовления плавающих воздушных шаров, поскольку он легче воздуха. Сжиженный гелий, температура которого не превышает 4,2 Кельвина, является предпочтительным элементом для охлаждения сверхпроводящих полостей до очень низких температур. Гелий течет по внешней поверхности полостей в процессе, называемом конвекцией, отводя тепло и поддерживая низкую температуру. Этот процесс аналогичен тому, как работает кондиционер.

Как отмечает Паккард, криоустановки, необходимые для поддержания гелия при такой низкой температуре, сложны в конструкции и эксплуатации. Гелий также является относительно редким невозобновляемым ресурсом со сложным производственным процессом.

Команда General Atomics разработала и протестировала горизонтальный криостат, который вместо этого охлаждает полости с помощью кондуктивного охлаждения. В системе используются готовые криогенные системы, называемые «криохладителями». Эти устройства уже широко используются для охлаждения сверхпроводящих магнитов в аппаратах магнитно-резонансной томографии (МРТ) в больницах.

Очень низкие температуры могут быть достигнуты при отводе значительного количества тепла путем установки высокопроводящей «холодной головки» криокулера непосредственно в полость. Охлаждающая мощность коммерческих криорефрижераторов в последние годы неуклонно растет: в настоящее время доступна мощность до 5 Вт при температуре 4,2 К.

«Одной из прорывных технологий является возможность охлаждать полость за счет проводимости с помощью этих компактных коммерческих устройств вместо использования больших, сложных и более дорогих криогенных охлаждающих установок», — сказал Джанлуиджи «Джиджи» Чиовати, научный сотрудник лаборатории Джефферсона, ведущий руководитель проект. «Для системы, над которой мы работаем, криоустановки с жидким гелием не потребуются».

В то время как жидкий гелий будет продолжать играть важную роль для крупных ускорителей, проводящих фундаментальные и прикладные исследования, методы безгелиевого кондуктивного охлаждения проложат путь для более компактных технологий, которые могут служить другим целям.

Прототипирование полости

Система, разработанная командой, включала в себя несколько современных достижений, а также несколько новых. Во-первых, конструкция полости ускорителя частиц, над которой работали в лаборатории Джефферсона, имела некоторые особенности.

Как и большинство резонаторов ускорителей частиц SRF, он был сделан из материала под названием ниобий. Ниобий становится сверхпроводящим при температуре, близкой к абсолютному нулю. Однако на внутреннюю поверхность этой полости-прототипа был добавлен один слой специального материала ниобий-олово (Nb ₃ Sn). Ниобий-олово становится сверхпроводящим при более высокой температуре, чем чистый ниобий. Использование этого материала означало, что полость ускорителя могла эффективно функционировать при более чем вдвое более низких температурах, чем обычный ниобий, — выше 4 Кельвинов.

Особое внимание также уделялось внешней конструкции полости прототипа ускорителя частиц. Сначала он получил тонкий слой (2 мм) медной плакировки. Затем на нем были установлены три медных выступа, с помощью которых к полости можно было прикрепить системы криорегулятора. Наконец, он получил толстый слой меди (5 мм). Как и в кастрюле, облицовка помогает полости легко передавать тепло.

«По сути, мы построили медное тепловое одеяло снаружи полости с помощью комбинации холодного напыления и гальванического покрытия. Это обеспечивает путь высокой теплопроводности для тепла, генерируемого на внутренней поверхности, для перемещения к внешней поверхности, а затем к криоохладителю», — пояснил Чиовати.

Прототип полости был впервые испытан в лаборатории Джефферсона в ванне с жидким гелием при температуре 4,3 Кельвина (-452° F). Это похоже на проверку производительности, которую должен пройти ускоряющий резонатор перед установкой в ​​исследовательскую машину. Тесты устанавливают базовый уровень ожидаемой производительности.

Собираем все это вместе

Прототип полости с аналогичным оборудованием был затем отправлен в General Atomics для испытаний в прототипе горизонтального криостата, аналогичного криомодулю, используемому в ускорителях частиц на основе SRF.

«Сначала из криостата откачали воздух, а затем полость охладили ниже порога сверхпроводимости и возбудили небольшим радиочастотным сигналом, чтобы продемонстрировать электрический ускоряющий градиент», — сказал Паккард. «С помощью диагностики мы продемонстрировали, что характеристики резонатора с кондуктивным охлаждением соответствуют тем же характеристикам, что и предыдущие испытания с жидким гелием, проведенные в лаборатории Джефферсона».

При охлаждении примерно до 4 Кельвинов с помощью всего трех подключенных коммерческих криоохладителей компонент достиг пикового поверхностного магнитного поля в 50 миллиТесла, самого высокого показателя, когда-либо достигнутого в установках такого типа, а также обеспечил стабильную работу.

Результат соответствует требованиям для ускорителя, способного производить электроны с выигрышем по энергии 1 МэВ (1 миллион электрон-вольт), который может найти применение в приложениях по восстановлению окружающей среды. Электронные пучки с такой энергией полезны для других промышленных процессов, таких как обработка материалов или визуализация.

«Электронные пучки полезны во многих коммерческих приложениях. Эта технология компактных сверхпроводящих ускорителей имеет значительный потенциал для восстановления окружающей среды, одним из примеров является очистка воды», — сказал Паккард. «Необработанная вода может содержать небезопасные концентрации химических веществ, таких как фармацевтические препараты или PFAS, а также вредные патогены, такие как кишечная палочка или сальмонелла. Электронные лучи очень эффективны при разрыве и расщеплении сложных молекул и органических веществ на более простые частицы, которые менее угрожает здоровью человека и окружающей среде».

«Ускорители, которые мы планируем, способны выдавать энергию от одного до 10 МэВ», — сказал Чиовати. «Этот прототип все еще немного меньше этого, но он демонстрирует, что эта революционная конструкция с возможностью охлаждения полостей с помощью этих коммерческих устройств осуществима».

Успешно спроектировав, построив и эксплуатируя прототип ускорителя частиц с сочетанием промышленных деталей и готовых коммерческих кондуктивных криорефрижераторов, обе команды сделали большой шаг к тому, чтобы сделать эффективные, компактные и надежные ускорители SRF реальностью для коммерческих предприятий. Приложения.

«Производственные партнеры принимали активное участие — от изготовления полостей и производства до финальных испытаний. Я был очень впечатлен и доволен объемом технических знаний, знаний и приверженности, которые я нашел у всех промышленных партнеров, которых я Я работал», — сказал Чиовати.

Двигаться вперед

Следующий шаг — сосредоточиться на сочетании улучшений конструкции и дальнейших испытаний.

«Мы собираемся оценить полости с более высокой энергией, которые обеспечивают более глубокое проникновение электронного луча в материалы», — сказал Паккард. «Мы также сосредоточены на создании полной системы путем интеграции криомодуля с дополнительными подсистемами, а также на поиске способов удешевления системы».