传导冷却加速腔被证明适用于商业应用

从电视到X射线机，许多现代技术都是由粒子加速器激发的电子实现的。现在，美国能源部的托马斯·杰斐逊国家加速器设施已与通用原子公司和其他合作伙伴合作，通过探索设计、原型制作和测试粒子加速器的过程来解锁更多应用，这些加速器功能更强大、更高效，同时也更便宜、体积更小。

该研究包括设计和制造原型粒子加速器的关键元件，具有先进的商用现成冷却组件和新型超导材料。样机测试成功，证明了该设计商业应用的可行性。该工作最近发表在《PhysicalReviewAcceleratorsandBeams》上。

杰斐逊实验室的团队成员在构建用于基础研究的先进粒子加速器方面拥有丰富的经验。对于这个项目，杰斐逊实验室与通用原子公司分包，开始超越该技术在基础研究中的应用，以寻求可能的社会效益。

研究人员首先关注杰斐逊实验室称为谐振腔的超导射频(SRF)加速器组件。基于SRF腔构建的粒子加速器支持世界上一些最强大的研究机器，包括杰斐逊实验室自己的连续电子束加速器设施。CEBAF是美国能源部科学办公室的一个用户设施，致力于揭示原子核中质子和中子的底层结构。

粒子加速器通过向电子提供以电子伏特(eV)为单位的额外能量来增强电子，从而“加速”电子。电子以与CEBAF类似的方式加速，但规模要小得多，可用于在电视屏幕上渲染图像、使用X射线对患者进行成像，或清理废水和烟气。

冷系统的需求

虽然SRF腔在加速粒子束方面非常有效，但这些系统的构建和运行成本可能非常昂贵。最大的开支之一是它们的冷却要求。例如，在典型的研究机器中，SRF腔必须非常冷(2开尔文或-456°F，仅比绝对零高几度)才能实现最有效的超导操作。

通用原子公司磁聚变能源(MFE)部门的科学家德鲁·帕卡德(DrewPackard)表示：“冷却SRF腔体的典型方法是使用称为液氦低温装置的大型系统。这些系统的安装和操作成本很高。”谁在该项目上进行合作。

氦气通常被认为是用于制造漂浮气球的气体，因为它比空气轻。温度低于4.2开尔文的液化氦是将超导腔冷却至极低温度的首选元素。氦气通过对流过程流过腔体的外表面，带走热量并保持低温。这个过程类似于空调的工作原理。

帕卡德指出，将氦气保持在如此低的温度所需的低温装置的设计和操作都很复杂。氦气也是一种相对稀有的不可再生资源，具有复杂的制造过程。

通用原子公司团队设计并测试了一种卧式低温恒温器，该低温恒温器使用传导冷却来冷却腔体。该系统利用了称为“低温冷却器”的现成低温系统。这些设备已广泛用于冷却医院磁共振成像(MRI)机器中的超导磁体。

通过将低温冷却器的高传导性“冷头”直接安装到腔体上，可以实现非常低的温度，同时消除大量热量。过去几年，商用制冷机的冷却功率一直在稳步提高，目前在4.2开尔文温度下的冷却功率高达5W。

“突破性技术之一是能够利用这些紧凑的商业设备通过传导来冷却腔体，而不是使用大型、复杂和更昂贵的低温冷却装置，”杰斐逊实验室科学家、领导者Gianluigi“Gigi”Ciovati说道。该项目。“我们正在开发的系统不需要液氦低温装置。”

虽然液氦将继续在进行基础和应用研究的大型加速器中发挥重要作用，但无氦传导冷却技术将为可用于其他目的的更紧凑的技术铺平道路。

该团队设计的系统融合了多项最先进的技术以及一些新技术。首先，杰斐逊实验室的粒子加速器腔体设计有一些特殊之处。

与大多数SRF粒子加速器腔体一样，它由一种叫做铌的材料制成。铌在接近绝对零的温度下变得超导。然而，该原型空腔的内表面添加了一层特殊的铌锡材料(Nb3Sn)。铌锡在比纯铌更高的温度下变得超导。使用这种材料意味着加速器腔可以在普通铌所需低温两倍以上(超过4开尔文)的情况下有效运行。

原型粒子加速器腔体的外部设计也受到特别关注。它首先覆盖了一层薄薄的铜覆层(2毫米)。然后它上面镶嵌着三个铜片，低温冷却器系统可以连接到腔体上。最后，它得到了一层厚厚的铜覆层(5毫米)。就像烹饪锅一样，包层有助于腔体轻松传递热量。

“我们基本上通过冷喷涂和电镀的结合在腔体的外部构建了一个铜导热毯。这为内表面产生的热量提供了一个高导热路径，使其移动到外表面，然后流向制冷器，”乔瓦蒂解释道。

原型腔体首先在Jefferson实验室的4.3开尔文(-452°F)液氦浴中进行了测试。这类似于加速腔在安装到研究机器中之前接受的性能测试。这些测试为预期性能建立了基线。

把它们放在一起

随后，一个装备类似的原型腔体被运送到通用原子公司，在原型水平低温恒温器中进行测试，该原型类似于基于SRF的粒子加速器中使用的低温模块。

“首先，将低温恒温器中的空气抽空，然后将腔体冷却到超导阈值以下，并用小射频信号激发以演示电加速梯度，”帕卡德说。“通过诊断，我们证明传导冷却腔的性能达到了与杰斐逊实验室之前进行的液氦测试相同的规格。”

当仅通过三个连接的商用制冷机冷却至约4开尔文时，该组件实现了50毫特斯拉的峰值表面磁场，这是此类设置中有史以来达到的最高水平，同时还提供稳定的运行。

结果满足了加速器能够产生能量增益为1MeV(100万电子伏)的电子的要求，可用于环境修复应用。接近该能量的电子束可用于其他工业过程，例如材料加工或成像。

“电子束可用于各种商业应用。这种紧凑型超导加速器技术在环境修复方面具有巨大的潜力，其中一个例子就是水净化，”帕卡德说。“未经处理的水可能含有不安全浓度的化学物质，例如药物或PFAS，以及有害病原体，例如大肠杆菌或沙门氏菌。电子束可以非常有效地将复杂的分子和有机物撕裂并分解成更基本的颗粒，这些颗粒的含量较低。威胁人类健康和环境。”

“我们设想的加速器能够提供1到10MeV的能量，”Ciovati说。“这个原型仍然比那个小一点，但它证明了这种突破性的设计，能够用这些商业设备冷却腔体，是可行的。”

通过成功地设计、建造和操作原型粒子加速器，结合工业制造的零件和现成的商用传导制冷机，两个团队在使高效、紧凑和可靠的SRF加速器成为商业现实方面迈出了一大步。应用程序。

“从型腔制造和生产到最终测试，工业合作伙伴进行了大量的参与。我在所有工业合作伙伴中发现的技术专业知识、知识和承诺给我留下了深刻的印象和满意的结果。一起工作过，”乔瓦蒂说。

向前进

下一步是重点关注设计改进和进一步测试的结合。

“我们将评估高能腔，使电子束能够更深地穿透材料，”帕卡德说。“我们还致力于通过将低温模块与其他子系统集成来构建完整的系统，以及研究使系统更便宜的方法。”