传导冷却加速腔在商业应用中是可行的

从电视到X光机，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与通用原子公司和其他合作伙伴合作，通过探索粒子加速器的设计、原型设计和测试过程，解锁了更多的应用程序，这些加速器更强大、更高效，同时也更便宜、体积更小

这项研究包括原型粒子加速器关键元件的设计和制造，其中包括先进的商用现成冷却组件和新型超导材料。原型测试成功，证明了该设计在商业应用中的可行性。这项工作最近发表在《物理评论加速器和光束》上

杰斐逊实验室的团队成员在为基础研究建造先进粒子加速器方面拥有丰富的经验。为了这个项目，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，寻求可能的社会效益

研究人员在杰斐逊实验室专注于被称为谐振腔的超导射频（SRF）加速器组件，开始了这项工作。建立在SRF腔上的粒子加速器能够实现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潜在结构

粒子加速器通过给电子提供以电子伏特（eV）为单位的额外能量来给电子充电，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，可以用于在电视屏幕上渲染图像，制作X射线给患者成像，或清理废水和废气

对冷系统的需求

虽然SRF腔在加速粒子束方面非常有效，但这些系统的建造和运行可能非常昂贵。最大的开支之一是他们的冷却需求。例如，在一台典型的研究机器中，SRF腔必须非常冷——温度为2开尔文或-456°F，仅比绝对零度高几度——才能实现最有效的超导操作

“冷却SRF空腔的典型方法是使用一个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高昂，”通用原子公司磁聚变能部门的科学家德鲁·帕卡德说，他正在合作该项目

氦通常被认为是用来制造漂浮气球的气体，因为它比空气轻。液化氦保持在4.2开尔文以下，是将超导腔冷却到非常低温度的首选元素。氦在空腔的外表面流动，这一过程被称为对流，去除热量并保持低温。这个过程类似于空调的工作方式

正如Packard所指出的，将氦气保持在如此低温所需的冷冻装置的设计和操作非常复杂。氦也是一种相对罕见、不可再生的资源，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水平低温恒温器，该恒温器使用传导冷却来冷却空腔。该系统使用称为“低温冷却器”的现成低温系统。这些设备已经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导电“冷头”直接安装到空腔中，可以在去除大量热量的同时实现非常低的温度。商用低温冷却器的冷却功率在过去几年中一直在稳步增加，目前可在4.2开尔文的温度下达到5 W

“突破性技术之一是能够通过这些紧凑的商业设备进行传导来冷却空腔，而不是拥有大型、复杂和更昂贵的低温冷却设备，”领导该项目的杰斐逊实验室科学家Gianluigi“Gigi”Ciovati说。“我们正在研究的系统不需要液氦冷冻装置。”

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，但无氦导电冷却技术将为更紧凑的技术铺平道路，这些技术可用于其他目的

腔体原型

团队设计的系统融合了一些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设计有一些特殊之处

像大多数SRF粒子加速器腔一样，它是由一种叫做铌的材料制成的。铌在接近绝对零度的温度下成为超导材料。然而，这个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的两倍多（超过4开尔文）下有效工作

原型粒子加速器腔的外部设计也受到了特别关注。它首先接受了一层薄薄的（2毫米）铜包层。然后，它被钉上了三个铜片，低温冷却器系统可以连接到空腔上。最后，它得到了一层厚的铜包层（5毫米）。就像在烹饪锅中一样，包层有助于空腔轻松传递热量

“我们基本上在外面建了一个铜保温毯