Les accélérateurs de particules sont constitués de structures appelées cavités, qui communiquent de l'énergie au faisceau de particules, le pousser vers l'avant. Un type de cavité est la radiofréquence supraconductrice, ou SRF, cavité. Généralement en niobium, Les cavités SRF nécessitent un froid extrême pour fonctionner. Une équipe du Fermilab a développé une nouvelle méthode de refroidissement des cavités SRF sans hélium liquide. Le nouveau système est plus facile à utiliser et plus simple à construire.

Les faisceaux d'électrons pourraient aider à purifier l'eau et à réparer les routes. La barrière est le besoin d'hélium liquide ultra-froid. Pour la première fois, une équipe a refroidi une cavité d'accélérateur supraconducteur sans hélium liquide. Le remplacement de l'hélium liquide par des dispositifs plug-and-play appelés cryoréfrigérants pourrait rendre la technologie SRF disponible pour l'industrie. Les accélérateurs SRF économes en énergie peuvent fournir des faisceaux d'électrons de puissance moyenne élevée. Les poutres pourraient renforcer les matériaux, reconstruire la chaussée d'asphalte, traiter les eaux usées, et plus.

À ce jour, tous les accélérateurs de particules SRF utilisent de l'hélium liquide pour maintenir les températures extrêmement froides nécessaires au maintien de la supraconductivité. L'exploitation de l'hélium liquide nécessite une infrastructure complexe :une usine de liquéfaction, lignes de distribution, récupération de gaz, systèmes d'épuration, et des cryomodules à cavité pouvant résister à des pressions élevées. Il existe également des risques pour la sécurité associés au fonctionnement de l'hélium liquide. Bien qu'une telle infrastructure soit appropriée pour les accélérateurs de recherche à grande échelle, il peut être trop complexe et coûteux pour des applications industrielles.

Pour la première fois, une équipe du Fermilab's Illinois Accelerator Research Center a refroidi une cavité accélératrice à des températures cryogéniques sans utiliser d'hélium liquide. Ils y sont parvenus en connectant une cavité à un cryoréfrigérateur disponible dans le commerce, utilisant une technologie brevetée par Fermilab.

La connexion de la cavité au cryoréfrigérant était un défi important qui nécessitait d'étudier divers matériaux et de concevoir des composants personnalisés. L'équipe a produit des anneaux de conduction en niobium et les a connectés à l'enveloppe de la cavité par soudage par faisceau d'électrons. Ils ont également développé des joints niobium-aluminium qui permettaient à la chaleur de s'écouler facilement de la cavité vers le cryoréfrigérateur. Pour générer de la chaleur dans la cavité, l'équipe a utilisé un simple pilote de radiofréquence plug-and-play, comme dans les accélérateurs de laboratoire.

Des gradients électromagnétiques sont générés dans les cavités SRF ; des gradients plus forts transmettent plus d'énergie au faisceau. Cette toute première opération sans cryogène a produit un gradient de 0,5 MV/m sur une seule cellule, Cavité niobium 650 MHz. Les chercheurs du Fermilab prévoient d'atteindre bientôt des gradients allant jusqu'à 10 MV/m en utilisant des cryoréfrigérateurs de plus grande capacité et en capitalisant sur d'autres avancées récentes dans la technologie des cavités. L'équipe explore l'application de la technologie de refroidissement par conduction à des fréquences plus élevées, cavités multicellulaires, et d'autres structures radiofréquences.