Les scientifiques et les ingénieurs du Fermilab ont obtenu un résultat marquant dans un effort continu pour concevoir et construire des accélérateurs de particules portables. Notre groupe a démontré avec succès une nouvelle moyen efficace de refroidir les composants supraconducteurs des accélérateurs, réduisant la majeure partie de l'infrastructure de refroidissement traditionnelle nécessaire à cette technologie.

L'importance de cette avancée est évidente si vous vous promenez sur le site du Fermilab. Vous ne pouvez vraiment pas le manquer :les accélérateurs de particules conçus pour la découverte sont de grosses machines. Ils s'étendent sur des centaines de mètres, voire des kilomètres. Ils nécessitent également une infrastructure importante et complexe, ce qui restreint leur utilisation principalement aux laboratoires de recherche scientifique.

Et encore, les accélérateurs de particules sont des outils très utiles en dehors des laboratoires de recherche scientifique. Ils ont des applications en sécurité, Médicament, fabrication, et les routes. Et leur impact pourrait être encore plus grand si nous pouvions rendre compactes ces machines traditionnellement géantes. Miniaturisez-les. Concevoir des accélérateurs haute puissance qui pourraient s'adapter, au sens propre, à l'arrière d'un camion.

Au Laboratoire Fermi, nous apprécions ces défis physiques pratiques. Et le mois dernier, notre équipe a relevé le défi, franchir une étape importante dans notre quête pour réaliser de puissants, des accélérateurs compacts qui ont un impact sur notre vie quotidienne. L'équipe de base comprenait Ram Dhuley, Michael Geelhoed, Sam Posen et Charles Thangaraj.

Combinant une verve pour la praticité avec la science de pointe, notre équipe a démontré avec succès une nouvelle méthode révolutionnaire pour refroidir la cavité d'un accélérateur supraconducteur sans utiliser d'hélium liquide, ce qui est contre-intuitif pour la plupart des scientifiques des accélérateurs.

Cette nouvelle méthode, basée sur une idée du Fermilab brevetée il y a cinq ans, utilise des réfrigérateurs cryogéniques, ou cryoréfrigérateurs, pour éliminer la chaleur dissipée par une cavité d'accélérateur supraconducteur. En comprimant et en dilatant l'hélium gazeux à travers un échangeur de chaleur régénératif dans un cycle « fermé », les cryoréfrigérateurs produisent un refroidissement sans laisser sortir l'hélium. Ce fonctionnement en cycle fermé des refroidisseurs cryogéniques rend notre système très compact, plus que l'équipement de refroidissement à l'hélium liquide standard utilisé par les cavités accélératrices traditionnelles.

Les cavités supraconductrices sont des composants cruciaux des accélérateurs de particules, propulser le faisceau de particules à des énergies plus élevées en lui donnant une poussée électromagnétique. Nous avons utilisé une cavité en niobium de 650 mégahertz, et nous avons tous regardé avec fierté les premiers résultats positifs de notre nouvelle méthode :un gradient d'accélérateur de 6,6 millions de volts par mètre. C'est déjà suffisant pour les applications que nous avons en tête, et encore, nous savons que nous pouvons faire mieux.

Les cavités supraconductrices utilisées dans les grands accélérateurs sont généralement refroidies à environ 2 kelvins, plus froid que les 2,7 kelvins (moins 455 degrés Fahrenheit) de l'espace. La façon typique d'y parvenir est d'immerger les cavités dans de l'hélium liquide et de pomper sur l'hélium pour abaisser sa pression, et donc sa température. Tout cela nécessite des systèmes cryogéniques grands et complexes, un facteur qui limite considérablement la portabilité et donc les applications potentielles des accélérateurs supraconducteurs dans les environnements industriels et autres.

Notre équipe a franchi cette barrière en réalisant avec succès une technique conceptualisée par le physicien du Fermilab Bob Kephart, maintenant à la retraite. La technique proposée pour rendre les accélérateurs supraconducteurs pratiques en 1) revêtant une fine couche d'un matériau appelé niobium-étain à l'intérieur des cavités en niobium, et 2) refroidir les cavités revêtues à l'aide de cryoréfrigérateurs via des liaisons conductrices reliant les deux. La configuration cryocooler-cavité dispense d'un bain de liquide cryogénique et de tout besoin d'une installation cryogénique pour atteindre la supraconductivité.

La démonstration montre également comment cette méthode pourrait simplifier les accélérateurs supraconducteurs et les rendre accessibles à des besoins plus larges au-delà de la science fondamentale :de meilleures chaussées, traitement des eaux usées, stérilisation des dispositifs médicaux, et fabrication de pointe.

Appliquer les percées scientifiques au Laboratoire Fermi et les transformer pour résoudre des défis en dehors de la science fondamentale implique une réflexion entrepreneuriale systématique - identifier une opportunité et poser et répondre à une multitude de questions pour valider l'opportunité. Une grande valeur dans tout cela est de convertir l'investissement du DOE dans la science et la technologie en innovation qui pourrait permettre à de nouvelles industries d'émerger.

Au Laboratoire Fermi, nous continuerons à appliquer nos technologies de pointe pour de nouvelles applications au-delà de la science de la découverte. Cette percée majeure est un pas passionnant dans cette direction, et nous continuerons à repousser les limites.