Foto Jefferson Lab menunjukkan tim pekerja sedang mempersiapkan rongga akselerator uji. Kredit: Lab Jefferson
Dari televisi hingga mesin sinar X, banyak teknologi modern yang dimungkinkan oleh elektron yang dihasilkan oleh akselerator partikel. Fasilitas Akselerator Nasional Thomas Jefferson milik Departemen Energi AS kini telah bekerja sama dengan General Atomics dan mitra lainnya untuk membuka lebih banyak aplikasi dengan mengeksplorasi proses perancangan, pembuatan prototipe, dan pengujian akselerator partikel yang lebih kuat dan efisien, sekaligus lebih murah dan lebih besar. .
Penelitian ini melibatkan desain dan fabrikasi elemen kunci dari prototipe akselerator partikel yang menggabungkan komponen pendingin komersial canggih dan bahan superkonduktor baru. Prototipe tersebut berhasil diuji, menunjukkan kelayakan desain untuk aplikasi komersial. Karya ini baru-baru ini diterbitkan di Physical Review Accelerators and Beams.
Anggota tim di Jefferson Lab memiliki pengalaman luas dalam membangun akselerator partikel canggih untuk penelitian dasar. Untuk proyek ini, Jefferson Lab mengadakan subkontrak dengan General Atomics untuk mulai bergerak melampaui penerapan penelitian dasar teknologi tersebut dan mencari kemungkinan manfaat sosial.
Para peneliti memulai pekerjaan dengan memfokuskan pada komponen akselerator frekuensi radio superkonduktor (SRF) yang disebut rongga resonansi di Jefferson Lab. Akselerator partikel yang dibangun di atas rongga SRF memungkinkan beberapa mesin penelitian paling kuat di dunia, termasuk akselerator berkas elektron kontinu milik Jefferson Lab. CEBAF adalah fasilitas pengguna DOE Office of Science yang didedikasikan untuk mengungkap struktur dasar proton dan neutron dalam inti atom.
Akselerator partikel memanfaatkan elektron dengan memberinya energi ekstra yang diukur dalam elektron volt (eV), sehingga “mempercepat” elektron. Elektron, yang dipercepat dengan cara yang mirip dengan CEBAF, tetapi dalam skala yang jauh lebih kecil, dapat digunakan untuk menampilkan gambar di layar televisi, untuk mengambil gambar sinar-X pasien, atau untuk membersihkan limbah dan gas buang.
Kebutuhan akan sistem dingin
Meskipun rongga SRF sangat efektif dalam mempercepat pancaran partikel, sistem ini bisa sangat mahal untuk dibangun dan dioperasikan. Salah satu biaya terbesar adalah kebutuhan pendinginannya. Misalnya, pada mesin penelitian pada umumnya, rongga SRF harus sangat dingin—pada 2 Kelvin, atau -456°F, yang hanya beberapa derajat di atas nol mutlak—untuk mencapai operasi superkonduktor yang paling efisien.
“Cara umum untuk mendinginkan rongga SRF adalah sistem besar yang disebut pabrik kriogenik helium cair. Sistem ini mahal untuk dipasang dan dioperasikan,” kata Drew Packard, ilmuwan di divisi Magnetic Fusion Energy (MFE) General Atomics. yang berkolaborasi dalam proyek tersebut.
Helium umumnya dikenal sebagai gas yang digunakan untuk membuat balon terapung karena lebih ringan dari udara. Helium cair, yang dijaga di bawah 4,2 Kelvin, merupakan elemen pilihan untuk mendinginkan rongga superkonduktor hingga suhu yang sangat rendah. Helium mengalir di permukaan luar rongga dalam proses yang disebut konveksi, menghilangkan panas dan menjaga suhu tetap rendah. Proses ini mirip dengan cara kerja AC.
Menurut Packard, tanaman krio yang diperlukan untuk mempertahankan helium pada suhu rendah ini rumit untuk dirancang dan dioperasikan. Helium juga merupakan sumber daya yang relatif langka dan tidak terbarukan dengan proses produksi yang kompleks.
Tim General Atomics merancang dan menguji cryostat horizontal yang mendinginkan rongga menggunakan pendinginan konduksi. Sistem ini menggunakan sistem kriogenik siap pakai yang disebut “cryocooler”. Perangkat ini sudah banyak digunakan untuk mendinginkan magnet superkonduktor pada mesin magnetic resonance imaging (MRI) di rumah sakit.
Temperatur yang sangat rendah dapat dicapai dengan menghilangkan sejumlah besar panas dengan memasang cryocooler “kepala dingin” yang sangat konduktif langsung ke dalam rongga. Kapasitas pendinginan cryocooler komersial terus meningkat dalam beberapa tahun terakhir, hingga saat ini tersedia hingga 5 W pada 4,2 Kelvin.
“Salah satu teknologi terobosannya adalah kemampuan untuk mendinginkan rongga secara konduksi menggunakan perangkat komersial kompak dibandingkan perangkat pendingin kriogenik yang besar, kompleks, dan lebih mahal,” kata Gianluigi “Gigi” Ciovati, ilmuwan Jefferson Lab yang memimpin proyek tersebut. “Pembangkit listrik helium kriogenik cair tidak diperlukan untuk sistem yang sedang kami kerjakan.”
Meskipun helium cair akan terus memainkan peran penting bagi akselerator besar yang melakukan penelitian dasar dan terapan, teknik pendinginan konduktif bebas helium akan membuka jalan bagi teknologi yang lebih ringkas yang dapat digunakan untuk tujuan lain.
Susunan penampang prototipe rongga 952,6 MHz untuk demonstrasi konduksi-pendinginan. Kredit: Tinjauan Fisik Akselerator dan Balok (2023). DOI: 10.1103/PhysRevAccelBeams.26.044701
Pembuatan prototipe rongga
Sistem yang dirancang oleh tim mencakup beberapa perbaikan mutakhir serta beberapa perbaikan baru. Pertama, desain rongga akselerator partikel yang mereka kerjakan di Jefferson Lab memiliki beberapa fitur khusus.
Seperti kebanyakan rongga akselerator partikel SRF, rongga tersebut terbuat dari bahan yang disebut niobium. Niobium menjadi superkonduktor pada suhu mendekati nol mutlak. Namun, rongga prototipe ini memiliki satu lapisan bahan niobium-timah khusus (Nb3Sn) yang ditambahkan ke permukaan bagian dalamnya. Niobium-timah menjadi superkonduktor pada suhu lebih tinggi dari niobium murni. Penggunaan bahan ini berarti rongga akselerator dapat beroperasi secara efektif pada suhu dua kali lipat suhu rendah yang dibutuhkan untuk niobium biasa – di atas 4 Kelvin.
Perhatian khusus juga diberikan pada bagian luar desain rongga prototipe akselerator partikel. Pertama, ia menerima lapisan tipis (2 mm) lapisan tembaga. Kemudian ditaburi dengan tiga tab tembaga di mana sistem cryocooler dapat dipasang ke rongga tersebut. Terakhir, ia mendapat lapisan jaket tembaga yang tebal (5 mm). Mirip dengan panci masak, melapisi rongganya membantu memindahkan panas dengan mudah.
“Pada dasarnya, kami membangun selimut termal tembaga di bagian luar rongga dengan kombinasi penyemprotan dingin dan pelapisan listrik. Hal ini memberikan konduktivitas termal yang tinggi agar panas yang dihasilkan di permukaan bagian dalam berpindah ke permukaan luar dan kemudian menuju cryocooler,” dia berkata. Ciovati menjelaskan.
Prototipe rongga pertama kali diuji di Lab Jefferson dalam penangas helium cair pada suhu 4,3 Kelvin (−452 °F). Hal ini mirip dengan pengujian kinerja yang akan dilakukan rongga akselerator sebelum dipasang di mesin penelitian. Tes tersebut menetapkan dasar untuk kinerja yang diharapkan.
Menyatukan semuanya
Rongga prototipe yang dilengkapi serupa kemudian dikirim ke General Atomics untuk pengujian dalam prototipe cryostat horizontal, mirip dengan cryomodule yang digunakan dalam akselerator partikel berbasis SRF.
“Pertama, udara dievakuasi dari cryostat, dan kemudian rongga didinginkan di bawah ambang batas superkonduktornya dan dieksitasi dengan sinyal RF kecil untuk menunjukkan gradien percepatan listrik,” kata Packard. “Kami menunjukkan melalui diagnostik bahwa kinerja rongga berpendingin konduksi mencapai spesifikasi yang sama dengan tes helium cair sebelumnya yang dilakukan di Jefferson Lab.”
Didinginkan hingga sekitar 4 Kelvin hanya dengan tiga cryocooler komersial yang terpasang, komponen ini mencapai medan magnet permukaan puncak sebesar 50 miliTesla, tertinggi yang pernah dicapai dalam jenis pengaturan ini, sekaligus memberikan pengoperasian yang stabil.
Hasilnya memenuhi persyaratan akselerator yang mampu menghasilkan elektron dengan perolehan energi sebesar 1 MeV (1 juta elektron-volt), yang dapat digunakan dalam aplikasi remediasi lingkungan. Berkas elektron di dekat energi ini berguna untuk proses industri lainnya seperti pemrosesan material atau pencitraan.
“Berkas elektron berguna dalam berbagai aplikasi komersial. Teknologi akselerator superkonduktor kompak ini memiliki potensi besar untuk perbaikan lingkungan, salah satu contohnya adalah pemurnian air,” kata Packard. “Air yang tidak diolah dapat mengandung konsentrasi bahan kimia berbahaya seperti obat-obatan atau PFAS, serta patogen berbahaya seperti E. coli atau salmonella. Berkas elektron sangat efektif dalam merobek dan memecah molekul kompleks dan organik menjadi partikel yang lebih mendasar sehingga kurang efektif. .” membahayakan kesehatan manusia dan lingkungan”.
“Akselerator yang kami bayangkan mampu menghasilkan antara satu dan 10 MeV,” kata Ciovati. “Prototipe ini masih sedikit lebih kecil, namun ini menunjukkan bahwa desain terobosan dengan kemampuan mendinginkan rongga menggunakan perangkat komersial ini dapat dilakukan.”
Dengan berhasil merancang, membangun, dan mengoperasikan prototipe akselerator partikel menggunakan kombinasi suku cadang buatan industri dan cryocooler konduktif komersial siap pakai, kedua tim telah mengambil langkah besar untuk mewujudkan akselerator SRF yang efisien, kompak, dan andal. . aplikasi.
“Ada keterlibatan yang signifikan dari mitra industri – mulai dari pembuatan rongga dan manufaktur hingga pengujian akhir. Saya sangat terkesan dan senang dengan banyaknya keahlian teknis, pengetahuan, dan komitmen yang saya temukan di semua mitra industri tempat saya bekerja,” kata Ciovati.
Bergerak kedepan
Langkah selanjutnya adalah fokus pada kombinasi perbaikan desain dan pengujian lebih lanjut.
“Kami akan mengevaluasi rongga berenergi lebih tinggi yang memungkinkan berkas elektron menembus lebih dalam ke material,” kata Packard. “Kami juga fokus membangun sistem yang lengkap dengan mengintegrasikan cryomodule dengan subsistem lain, serta mencari cara untuk membuat sistem lebih murah.”
Informasi lebih lanjut:
G. Ciovati dkk, Pengembangan prototipe rongga frekuensi radio superkonduktor untuk akselerator berpendingin konduksi, Physical Review Accelerators and Beams (2023). DOI: 10.1103/PhysRevAccelBeams.26.044701
Disediakan oleh Fasilitas Akselerator Nasional Thomas Jefferson
Kutipan: Rongga akselerator berpendingin konduksi terbukti layak untuk aplikasi komersial (2024, 29 Februari) Diakses tanggal 2 Maret 2024, dari https://phys.org/news/2024-02-cooled-cavity-feasible-commercial-applications.html
Dokumen ini memiliki hak cipta. Kecuali untuk tindakan bonafid apa pun untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang boleh direproduksi tanpa izin tertulis. Konten disediakan untuk tujuan informasi saja.
+ There are no comments
Add yours