Криогеника на выставке FAIR: адаптация имеет решающее значение

Jul 23, 2023

Криогеника является основной технологией в Центре исследований антипротонов и ионов (FAIR), который строится в Германии. Джо МакЭнти беседует с Хольгером Коллмусом и Марион Каушке, которые вместе возглавляют программу криогеники в FAIR, о секретах успеха при сверхнизких температурах.

Центр исследований антипротонов и ионов (FAIR) в Дармштадте, Германия, представляет собой амбициозное переосмысление Центра исследований тяжелых ионов им. Гельмгольца GSI, одной из ведущих европейских лабораторий по исследованию ускорителей. Когда в 2027 году FAIR выйдет в онлайн для первых пользовательских экспериментов, FAIR предоставит ученым со всего мира многоцелевой ускорительный комплекс, созданный для решения широкого спектра задач – от адронной физики, структуры ядра и астрофизики до атомной физики и материаловедения. и радиационная биофизика (а также последующие применения в терапии рака и космической науке).

На схематическом уровне FAIR будет генерировать первичные пучки – от протонов до ионов урана – а также вторичные пучки антипротонов и редких изотопов. Таким образом, ускорительная установка оптимизирована для доставки интенсивных и энергичных пучков частиц к различным производственным объектам. Полученные лучи впоследствии будут направлены на различные эксперименты с фиксированной мишенью или введены в специальные накопительные кольца для внутрикольцевых экспериментов с высококачественными пучками вторичных антипротонов или радиоактивных ионов.

В основе всей этой экспериментальной огневой мощи лежат основные строительные блоки FAIR: быстродействующий синхротрон SIS100, который обеспечивает интенсивные первичные лучи; сепаратор суперфрагментов (Super-FRS), который отфильтровывает экзотические ионные пучки; и накопительные кольца (см. «Отсюда до FAIR» ниже). Между тем, существующие ускорители GSI (UNILAC и SIS18) будут служить инжекторами и предускорителями для SIS100, а новый ускоритель протонов обеспечит высокоинтенсивную инжекцию в синхротронную цепь. Здесь Хольгер Коллмус и Марион Каушке – руководитель и заместитель руководителя криогенной программы GSI/FAIR соответственно – рассказывают CERN Courier, как криогенная инфраструктура лаборатории и опыт специалистов в области сверхнизких температур имеют основополагающее значение для долгосрочной научной миссии FAIR.

ХК: Хотя криогеника не имеет обширной предыстории в GSI – на сегодняшний день только в двух крупномасштабных экспериментах были использованы сверхпроводящие магниты – стратегическое решение о создании FAIR поставило технологию сверхнизких температур в основу дорожной карты развития GSI. Рассмотрим потребность в специализированной инфраструктуре для проведения масштабных испытаний сверхпроводящих магнитов FAIR. В качестве примера можно привести испытательную установку прототипов (PTF), которая в период с 2005 по 2012 год использовалась для оценки пяти потенциальных конструкций магнитов. Один из этих прототипов, так называемый первый в серии (FOS) магнит, впоследствии был выбран для кольца SIS100 (всего 110 дипольных магнитов, с двумя запасными).

Однако вскоре стало ясно, что единственный испытательный стенд PTF не подходит для проверки всех магнитов в разумные сроки. Вместо этого эта задача была передана Серийному испытательному стенду (STF), который был введен в эксплуатацию в 2013 году с криогенной установкой и оборудованием, предоставленным швейцарским производителем Linde Kryotechnik. Основываясь на уроках, извлеченных из PTF, STF максимально увеличила производительность и эффективность рабочего процесса для крупномасштабных испытаний дипольных магнитов SIS100.

МК: Ключевым моментом является индивидуальный дизайн и планировка здания, включая систему направляющих для тестируемых сверхпроводящих магнитов, безсильфонный монтаж и доступные интерфейсы между коробкой подачи, магнитом и концевой коробкой. Коробка питания и концевая коробка окружают сверхпроводящий магнит с обеих сторон для испытаний, причем первая дополнительно снабжает магнит жидким гелиевым теплоносителем и электрическим током. Жидкий гелий поддерживает постоянную температуру магнита 4,5 К, а экранирование (поддерживаемое в диапазоне 50–80 К) уменьшает любой нагрев криогенно охлажденного магнита (так называемая «холодная масса»).