La semaine dernière, des millions d'Américains ont déballé une dinde sous film rétractable pour Thanksgiving. Si c'est le cas, ils doivent grâce aux faisceaux d'électrons, ce qui a rendu possible l'emballage sous film rétractable. Mais le faisceau d'électrons peut faire bien plus :il peut stériliser le matériel médical, traiter les eaux usées et imprimer des pièces métalliques. Les accélérateurs industriels qui génèrent ces faisceaux d'électrons se développent rapidement. L'Illinois Accelerator Research Center (IARC) a pour mission de construire un compact, un accélérateur de faisceau d'électrons supraconducteur qui servira à tous ces objectifs.

Les accélérateurs linéaires d'électrons de haute puissance sont généralement constitués de structures appelées cavités, qui transmettent de l'énergie au faisceau de particules, le poussant vers l'avant. L'une de ces cavités est la radiofréquence supraconductrice, ou SRF, cavité, qui nécessite des températures extrêmement froides pour fonctionner. Ces machines utilisent de l'hélium liquide pour maintenir la température nécessaire 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. 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. La barrière est le besoin d'hélium liquide ultrafroid.

Avec l'esprit de l'impossible Fermilab, notre équipe au CIRC a brisé cette barrière. Nous avons pour la première fois refroidi une cavité radiofréquence active à des températures cryogéniques sans utiliser d'hélium liquide. Nous y sommes parvenus en connectant une cavité à un cryoréfrigérateur disponible dans le commerce, utilisant une technologie brevetée par Fermilab.

Comme pour toute expérience passionnante, connecter la cavité au cryoréfrigérant était une tâche importante qui nécessitait d'étudier divers matériaux et de concevoir des composants personnalisés. Notre 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 mégavolts par mètre sur une seule cellule, Cavité niobium 650 MHz. Nous prévoyons d'atteindre des gradients allant jusqu'à 10 mégavolts par mètre 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.

Le remplacement de l'hélium liquide par des cryoréfrigérateurs plug-and-play rend les accélérateurs SRF accessibles à l'industrie en transformant les accélérateurs en accélérateurs simples, systèmes clé en main.