Der weltweit erste supraleitende Hochfrequenz-Elektronenbeschleuniger (SRF) aus Nb3Sn erreichte kürzlich eine stabile Strahlbeschleunigung und erreichte eine maximale Energie von 4,6 MeV bei einem durchschnittlichen Makropulsstrahlstrom von über 100 mA.
Der Nb3Sn SRF-Elektronenbeschleuniger wird direkt durch Kryokühler in einem neuartigen Design ohne flüssiges Helium (LHe-frei) gekühlt und von Forschern des Institute of Modern Physics (IMP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) und der Advanced Energy entwickelt Guangdong-Labor für Wissenschaft und Technologie.
SRF-Beschleuniger basieren derzeit auf Resonanzhohlräumen aus Niob (Nb) und werden durch LHe-Eintauchen gekühlt (typischerweise auf 2 K für Elektronenmaschinen). Ein Hauptanliegen der SRF-Wissenschaftler ist die Herstellung von Hohlräumen unter Verwendung neuer Materialien mit höheren Übergangstemperaturen als Niob.
Unter den potenziellen neuen Materialien ist Nb3Sn das beliebteste, dessen supraleitende Übergangstemperatur doppelt so hoch ist wie die von metallischem Niob. Mit großem Potenzial zur Leistungssteigerung von Hohlräumen der nächsten Generation steht die Nb3Sn-SRF-Technologie an der Spitze der SRF-Forschung.
Seit Beginn der Forschung zur Nb3Sn-SRF-Technologie im Jahr 2018 hat IMP einen umfassenden Produktionsprozess entwickelt, der Herausforderungen in Bereichen wie Abscheidungssystem, Wachstumsmechanismen und Beschichtungsprozessen von Nb3Sn-Dünnschichten bewältigt. Das Institut hat den Bau des konduktionsgekühlten LHe-freien Nb3Sn SRF-Elektronenbeschleunigers Anfang 2024 abgeschlossen.
Die stabile Elektronenstrahlbeschleunigung in diesem Beschleuniger ist eine Errungenschaft, die zum ersten Mal die Machbarkeit der Verwendung von Nb3Sn-Dünnfilm-SRF-Hohlräumen sowohl in großen wissenschaftlichen Anlagen als auch in kompakten industriellen Beschleunigern demonstriert. Diese Technologie kann die thermische Belastung erheblich reduzieren und die Betriebstemperatur von SRF-Beschleunigern erhöhen, sodass einfachere LHe-freie Kühlsysteme realisierbar werden.
Diese Technologie verringert nicht nur die Nachfrage nach großen Kryosystemen und senkt die Betriebskosten von SRF-Beschleunigern, sondern ermöglicht auch die Miniaturisierung, um industrielle Anwendungen in Bereichen wie der Abwasserbehandlung, -konservierung und -sterilisation sowie der Herstellung medizinischer Isotope zu fördern.