Une cavité accélératrice refroidie par conduction s’avère réalisable pour les applications commerciales

Des téléviseurs aux appareils à rayons X, de nombreuses technologies modernes reposent sur des électrons extraits par un accélérateur de particules. Aujourd’hui, le Thomas Jefferson National Accelerator Facility du Département américain de l’énergie a travaillé avec General Atomics et d’autres partenaires pour débloquer encore plus d’applications en explorant le processus de conception, de prototypage et de test d’accélérateurs de particules plus puissants et efficaces, tout en étant moins coûteux et encombrants. .

La recherche comprenait la conception et la fabrication d’éléments cruciaux d’un prototype d’accélérateur de particules, comprenant des composants de refroidissement commerciaux avancés et de nouveaux matériaux supraconducteurs. Le prototype a été testé avec succès, démontrant la faisabilité de la conception pour des applications commerciales. Les travaux ont été récemment publié dans Accélérateurs et faisceaux d’examen physique.

Les membres de l’équipe du Jefferson Lab possèdent une vaste expérience dans la construction d’accélérateurs de particules avancés pour la recherche fondamentale. Pour ce projet, Jefferson Lab a sous-traité à General Atomics pour commencer à aller au-delà des applications de la technologie dans la recherche fondamentale et rechercher d’éventuels avantages pour la société.

Les chercheurs ont commencé leurs travaux en se concentrant sur les composants d’accélérateurs supraconducteurs à radiofréquence (SRF) appelés cavités résonantes au Jefferson Lab. Les accélérateurs de particules construits sur des cavités SRF permettent d’utiliser certaines des machines de recherche les plus puissantes au monde, notamment l’installation d’accélérateur à faisceau d’électrons continu du Jefferson Lab. CEBAF est une installation utilisateur du DOE Office of Science qui se consacre à la révélation des structures sous-jacentes des protons et des neutrons dans le noyau de l’atome.

Les accélérateurs de particules alimentent les électrons en leur donnant une énergie supplémentaire mesurée en électron-volts (eV), « accélérant » ainsi les électrons. Les électrons, accélérés de la même manière que dans le CEBAF mais à une échelle beaucoup plus petite, peuvent être utilisés pour restituer des images sur un écran de télévision, réaliser des radiographies pour imager des patients ou nettoyer les eaux usées et les gaz de combustion.

Le besoin de systèmes froids

Bien que les cavités SRF soient très efficaces pour accélérer les faisceaux de particules, ces systèmes peuvent être très coûteux à construire et à exploiter. L’une des dépenses les plus importantes concerne les besoins en refroidissement. Dans une machine de recherche typique, par exemple, les cavités SRF doivent être extrêmement froides – à 2 Kelvin ou -456° F, soit quelques degrés au-dessus du zéro absolu – pour obtenir le fonctionnement supraconducteur le plus efficace.

« Le moyen typique de refroidir une cavité SRF consiste à utiliser un grand système appelé usine de cryogénie à l’hélium liquide. Ces systèmes sont coûteux à installer et à exploiter », a déclaré Drew Packard, scientifique de la division Énergie de fusion magnétique (MFE) de General Atomics. qui collabore au projet.

L’hélium est communément reconnu comme le gaz utilisé pour fabriquer des ballons flottants, car il est plus léger que l’air. L’hélium liquéfié, maintenu en dessous de 4,2 Kelvin, est l’élément de choix pour refroidir les cavités supraconductrices à leurs très basses températures. L’hélium circule sur la surface extérieure des cavités selon un processus appelé convection, éliminant la chaleur et maintenant la température basse. Ce processus est similaire au fonctionnement d’un climatiseur.

Les centrales cryogéniques nécessaires pour conserver l’hélium à cette basse température sont compliquées à concevoir et à exploiter, comme l’a noté Packard. L’hélium est également une ressource relativement rare et non renouvelable dont le processus de fabrication est complexe.

L’équipe de General Atomics a conçu et testé un cryostat horizontal qui refroidit les cavités par conduction. Le système utilise des systèmes cryogéniques prêts à l’emploi appelés « cryocoolers ». Ces dispositifs sont déjà largement utilisés pour refroidir les aimants supraconducteurs dans les appareils d’imagerie par résonance magnétique (IRM) des hôpitaux.

Des températures très basses peuvent être obtenues tout en éliminant des quantités substantielles de chaleur en montant la « tête froide » hautement conductrice du cryo-refroidisseur directement dans la cavité. La puissance de refroidissement des cryo-refroidisseurs commerciaux n’a cessé d’augmenter au cours des dernières années, avec jusqu’à 5 W à 4,2 Kelvin actuellement disponibles.

« L’une des technologies révolutionnaires est la capacité de refroidir la cavité par conduction avec ces appareils commerciaux compacts, au lieu d’avoir de grandes installations de refroidissement cryogéniques complexes et plus coûteuses », a déclaré Gianluigi « Gigi » Ciovati, un scientifique du Jefferson Lab qui dirige le projet. « Les cryoplants à hélium liquide ne seront pas nécessaires pour le système sur lequel nous travaillons. »

Alors que l’hélium liquide continuera à jouer un rôle important pour les grands accélérateurs menant des recherches fondamentales et appliquées, les techniques de refroidissement par conduction sans hélium ouvriront la voie à des technologies plus compactes pouvant servir à d’autres fins.

Prototypage de la cavité

Le système conçu par l’équipe intègre plusieurs avancées de pointe, ainsi que quelques nouvelles. Premièrement, la conception de la cavité de l’accélérateur de particules sur laquelle a travaillé au Jefferson Lab présentait des caractéristiques particulières.

Comme la plupart des cavités des accélérateurs de particules SRF, elle était constituée d’un matériau appelé niobium. Le niobium devient supraconducteur à des températures proches du zéro absolu. Cependant, cette cavité prototype avait une couche d’un matériau spécial niobium-étain (Nb3Sn) ajoutée à sa surface intérieure. Le niobium-étain devient supraconducteur à une température plus élevée que celle du niobium pur. L’utilisation de ce matériau signifiait que la cavité accélératrice pouvait fonctionner efficacement à plus de deux fois les basses températures nécessaires au niobium ordinaire, au-delà de 4 Kelvin.

L’extérieur du prototype de cavité de l’accélérateur de particules a également fait l’objet d’une attention particulière. Il a d’abord reçu une fine couche (2 mm) de gainage en cuivre. Il était ensuite doté de trois languettes en cuivre, sur lesquelles les systèmes de refroidissement cryogénique pouvaient être fixés à la cavité. Enfin, il a reçu une épaisse couche de gainage en cuivre (5 mm). Tout comme dans une marmite, le revêtement aide la cavité à transférer facilement la chaleur.

« Nous avons essentiellement construit une couverture thermique en cuivre à l’extérieur de la cavité en combinant une pulvérisation à froid et une galvanoplastie. Cela fournit un chemin de conductivité thermique élevée pour que la chaleur générée sur la surface intérieure se déplace vers la surface extérieure, puis vers le refroidisseur cryogénique,  » a expliqué Ciovati.

Un prototype de cavité a été testé pour la première fois au Jefferson Lab dans un bain d’hélium liquide à 4,3 Kelvin (-452° F). Ceci est similaire aux tests de performances qu’une cavité accélératrice subirait avant d’être installée dans une machine de recherche. Les tests établissent une base de référence pour les performances attendues.

Mettre tous ensemble

Un prototype de cavité équipé de la même manière a ensuite été expédié à General Atomics pour ses tests dans un prototype de cryostat horizontal, similaire à un cryomodule utilisé dans les accélérateurs de particules basés sur SRF.

« Tout d’abord, le cryostat a été vidé de son air, puis la cavité a été refroidie en dessous de son seuil supraconducteur et excitée avec un petit signal RF pour démontrer le gradient d’accélération électrique », a déclaré Packard. « Grâce aux diagnostics, nous avons démontré que les performances de la cavité refroidie par conduction atteignaient les mêmes spécifications que les précédents tests à l’hélium liquide effectués au Jefferson Lab. »

Bien qu’il soit refroidi à environ 4 Kelvin par seulement trois cryo-refroidisseurs commerciaux connectés, le composant a atteint un champ magnétique de surface maximal de 50 milliTesla, le plus élevé jamais atteint dans ce type d’installation, tout en assurant un fonctionnement stable.

Le résultat répond aux exigences d’un accélérateur capable de produire des électrons avec un gain d’énergie de 1 MeV (1 million d’électrons-volts), qui pourrait être utilisé dans des applications de dépollution environnementale. Les faisceaux d’électrons proches de cette énergie sont utiles pour d’autres processus industriels, tels que le traitement des matériaux ou l’imagerie.

« Les faisceaux d’électrons sont utiles dans diverses applications commerciales. Cette technologie d’accélérateur supraconducteur compact présente un potentiel considérable pour l’assainissement de l’environnement, un exemple étant la purification de l’eau », a déclaré Packard. « L’eau non traitée peut contenir des concentrations dangereuses de produits chimiques tels que des produits pharmaceutiques ou des PFAS, ainsi que des agents pathogènes nocifs tels que E. coli ou la salmonelle. Les faisceaux d’électrons sont très efficaces pour déchirer et décomposer les molécules complexes et les matières organiques en particules plus basiques qui sont moins polluantes. menaçant pour la santé humaine et l’environnement. »

« Les accélérateurs que nous envisageons sont capables de fournir entre un et 10 MeV », a déclaré Ciovati. « Ce prototype est encore un peu plus petit que cela, mais il démontre que cette conception révolutionnaire, avec la capacité de refroidir les cavités avec ces appareils commerciaux, est réalisable. »

En concevant, construisant et exploitant avec succès le prototype d’accélérateur de particules avec une combinaison de pièces fabriquées par l’industrie et de cryo-refroidisseurs à conduction commerciaux disponibles dans le commerce, les deux équipes ont fait un grand pas en avant vers la réalisation d’accélérateurs SRF efficaces, compacts et fiables pour le secteur commercial. applications.

« Il y a eu une bonne implication avec les partenaires industriels, depuis la fabrication de la cavité et la production jusqu’aux tests finaux. J’ai été très impressionné et satisfait de la quantité d’expertise technique, de connaissances et d’engagement que j’ai trouvée chez tous les partenaires industriels que j’ai avec qui j’ai travaillé », a déclaré Ciovati.

Avancer

L’étape suivante consiste à se concentrer sur une combinaison d’améliorations de conception et de tests supplémentaires.

« Nous allons évaluer des cavités à plus haute énergie qui permettent une pénétration plus profonde du faisceau d’électrons dans les matériaux », a déclaré Packard. « Nous nous concentrons également sur la construction du système complet en intégrant le cryomodule avec des sous-systèmes supplémentaires, ainsi que sur la recherche de moyens de rendre le système moins cher. »