Les éléments constitutifs des accélérateurs supraconducteurs sont des cavités supraconductrices à radiofréquence (SRF) constituées principalement de niobium qui sont combinées dans un récipient et baignées dans de l'hélium liquide pour atteindre des températures supraconductrices. Alors qu'une grande usine de cryogénie à l'hélium liquide peut être pratique pour une grande installation de recherche, cela peut être un obstacle à de nouvelles applications de cette technologie d'accélérateur.

Maintenant, les progrès de la technologie des cavités, le développement de matériaux et de cryoréfrigérants peut réduire cet obstacle aux applications industrielles et médicales de la technologie SRF. Après avoir terminé plus de 5, 000 tests de cavité dans la Zone d'Essai Vertical (VTA) à l'hélium liquide, Cette année, une équipe du département R&D du SRF Institute au Jefferson Lab a refroidi et testé avec succès une cavité SRF pour la première fois dans l'un des cryostats verticaux du VTA sans aucun hélium liquide.

Comment cela a-t-il été accompli ? Un certain nombre d'initiatives en cours se sont réunies pour rendre cela possible.

Le premier élément critique est l'utilisation d'un cryoréfrigérant pour refroidir la cavité SRF. Un cryoréfrigérateur est un réfrigérateur à cycle fermé qui ne nécessite qu'un petit volume d'hélium gazeux et offre un certain nombre d'avantages :être facile à utiliser, compact, fiable et un article commercial sur étagère. Les cryoréfrigérateurs étant déjà utilisés pour refroidir les aimants supraconducteurs dans les machines d'imagerie par résonance magnétique (IRM) des hôpitaux, et avec l'intérêt croissant de l'industrie pour la technologie des accélérateurs, Jefferson Lab était motivé à développer davantage la technologie SRF pour répondre à ce besoin.

Nouveaux revêtements, Nouvelles capacités

L'élément suivant était les progrès dans l'utilisation du composé niobium-étain Nb 3 Sn, qui a une température de transition supraconductrice plus élevée, pour les cavités SRF. Jefferson Lab a développé des Nb hautes performances 3 Cavités Sn depuis 2013, basé sur les travaux de Grigory Eremeev, qui a reçu un prix de début de carrière du ministère de l'Énergie en 2016. Un avantage clé offert par ces cavités niobium-étain est qu'elles restent supraconductrices à deux fois les températures requises par les cavités accélératrices en niobium pur, et peuvent fonctionner plus efficacement à une température plus élevée que celles du Nb. L'utilisation de cette technologie pourrait permettre de réaliser d'importantes économies de coûts d'exploitation pour les futurs accélérateurs. La recherche au Jefferson Lab a abouti à une excellente qualité Nb 3 Revêtements en couches minces Sn sur plusieurs types de cavités SRF différents. Une cavité unicellulaire spécifique à 1,5 GHz Bulk Nb, sur lequel un Nb 3 Le film Sn a grandi, a été choisi pour l'intégration avec un cryoréfrigérateur.

En utilisant un cryoréfrigérateur, la surface de la cavité n'est pas directement refroidie par de l'hélium liquide, rendre la cavité plus sensible au claquage thermique, surtout si des défauts sont présents. Par conséquent, la surface extérieure de la cavité a été recouverte de quelques millimètres d'épaisseur, couche de cuivre de haute pureté. Cuivre (Cu), qui a une conductivité thermique plus élevée que Nb, améliore le transfert de chaleur vers le cryoréfrigérateur. Ceci a été réalisé en faisant déposer la couche de Cu sur la cavité en utilisant des méthodes standard chez un fournisseur commercial.

L'équipe du Jefferson Lab a ensuite conçu et construit un banc d'essai contenant la cavité et le cryoréfrigérant pour s'adapter à l'un des cryostats VTA existants pour servir d'enceinte à vide pour effectuer le test. Les résultats du test RF étaient proches de ce qui avait été mesuré dans l'hélium liquide. "Nous avons pu atteindre un champ magnétique de surface maximal de 29 mT, correspondant à une pente d'accélération de 6,5 MV/m, et nous pourrions faire fonctionner la cavité à 5 W de puissance dissipée sans aucune instabilité thermique, " dit Gigi Ciovati, un scientifique des accélérateurs menant cette recherche. Ces résultats sont similaires à ceux obtenus récemment au Laboratoire Fermi en utilisant une configuration différente de refroidissement par conduction.

Industrialiser la technologie SRF

Quelle est la signification de ce travail ? Bien que l'entretien et l'exploitation d'une cryo-usine d'hélium liquide pour exploiter des cavités SRF soient la norme dans un laboratoire national comme Jefferson Lab, pour les entreprises qui recherchent des applications industrielles ou médicales de la technologie SRF efficace, il s'agit d'un obstacle important. Une de ces applications est une basse énergie, accélérateur d'électrons de grande puissance pour le traitement des eaux usées ou des fumées. Déjà Jefferson Lab a conçu un tel accélérateur basé sur une cavité SRF refroidie par conduction [G. Ciovati et al., Phys. Rév. Accel. Poutres 21, 091601 (2018)], et les résultats expérimentaux obtenus à la fois au Jefferson Lab et au Fermilab ont mis la conception sur une base beaucoup plus solide.

"L'étape suivante, au cours des deux prochaines années et demie, est de démontrer que l'on peut atteindre un pic de champ de surface correspondant à un gain d'énergie de 1 MeV, l'énergie du faisceau nécessaire à l'accélérateur de dépollution environnementale que nous avons conçu, dans une cavité SRF refroidie par conduction à l'intérieur d'un cryomodule horizontal, " dit Ciovati, qui a reçu une subvention du programme DOE Accelerator Stewardship pour effectuer ce travail. L'industrie sera fortement impliquée dans le projet, avec le test RF final en cours chez General Atomics, Partenaire industriel de Jefferson Lab.