PIP-II-transporttestramme er klar til handling hos Fermilab

Kryomoduler er væsentlige komponenter til det amerikanske energiministeriums Fermi National Accelerator Laboratorys acceleratorkompleksopgradering, kendt som Proton Improvement Plan II eller PIP-II.

PIP-II har en splinterny, 800-millioner-elektronvolt førende superledende radiofrekvens lineær accelerator, eller linac for korte, der vil gøre Fermilab i stand til at producere mere end 1 megawatt stråleeffekt, 60% højere end nuværende kapacitet. For at opnå denne banebrydende bedrift vil linacen bestå af kryomoduler, som er kar, der indeholder niobiumhulrum.

Den første partikelaccelerator på amerikansk jord bygget med betydelige bidrag fra internationale partnere, PIP-II vil modtage tre samlede kryomoduler fra partnere ved Science and Technology Facilities Council i Storbritannien og ni samlede kryomoduler fra Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternativer, eller CEA, i Frankrig.

Sikker transport af disse delikate og dyre samlede komponenter til Fermilab vil være en stor udfordring for PIP-II-teamet. Baseret på en nylig erfaring, hvor et kryomodul til et andet eksperiment blev beskadiget under transporten, tager holdet ekstra forholdsregler for at sikre sikker transport af PIP-II's kryomoduler, herunder omfattende test af transportsystemet.

Det første skridt var at designe, bygge og teste en transportramme, der skal holde og beskytte kryomodulerne. Mens PIP-II-samarbejdspartnere hos STFC - og senere CEA - med tiden vil designe og bygge deres egen ramme, blev en prototype af STFC-rammen bygget hos Fermilab, hvor den vil blive brugt til at sende en dummy-belastning og prototype af kryomoduler. Dette design og validering er en teamindsats mellem de tre laboratorier, hvor resultaterne og erfaringerne har indflydelse på designet af de endelige forsendelsesrammer, der skal transportere produktionskryomodulerne fra STFC og CEA til Fermilab.

"Hele projektet arbejder som én for at [opnå] én tilgang til transport," sagde Jeremiah Holzbauer, en Fermilab-forsker i PIP-II Technical Integration Office. "Vi lærer alle sammen gennem denne første proces."

Mitchell Kane, en mekanisk projektingeniør hos STFC, designede testrammen i tæt samarbejde med Fermilab, som derefter hyrede et amerikansk firma til at bygge rammen.

Den sværeste del af processen, sagde Kane, var, at der endnu ikke er et færdigt design til kryomodulet, som rammen i sidste ende vil holde. "Du skal have en vis fleksibilitet i designet. Med fleksibilitet er der usikkerhed," sagde Kane.

Fermilab-teamet fremstillede en dummy-belastning til at være en kopi af kryomodulet - i det væsentlige betonblokke med dimensioner, vægt og monteringspunkter for kryomodulet. De demonstrerede derefter den komplekse installation af attraplasten i testrammen og forberedte den til transporttests.

"Vi var faktisk i stand til at have en ret fejlfri første gang med at sætte denne ting op," sagde Ryan Thiede, teknisk specialist i kryomodulsamling. "Det viste sig ret godt. Alt stod i kø. Vi havde meget få problemer, og det så ud til, at alle var ret imponerede over den første gennemgang af opsætningen."

Kane besøgte Fermilab i slutningen af ​​april for at overvåge rammesamlingen og prøvebelastningstesten. "På grund af COVID og det hele, havde jeg ikke set noget fysisk i to et halvt år. Så faktisk at gå der og se mit design personligt, og det faktisk gik sammen uden problemer var nok den bedste del. af denne oplevelse]," sagde han.

Den 25. april gennemgik testrammen en tre-timers motorvejstest for at kontrollere ydeevnen af ​​isolationssystemet, som er designet til at afbøde kørslen med kryomodulet. "Det gik ekstremt glat. Designet er ret godt," sagde Holzbauer.

Til sommer vil testrammen, der holder dummy-lasten, blive sendt til Storbritannien, hvor STFC-teknikere vil skille den ad, sætte den sammen igen og sende den tilbage til Fermilab. Denne proces vil også kontrollere transportlogistikken, såsom toldinspektioner og lastning af fly.

"Hvis det lykkes, er transportsystemet verificeret," sagde Holzbauer.

Dernæst vil PIP-II bruge rammen til at sende en prototype af kryomodul til Storbritannien, som i øjeblikket er planlagt til slutningen af ​​dette år. Når der først er der, vil PIP-II-partnere hos STFC losse prototypen af ​​kryomodulet og tage det gennem instrumentering og vakuumtjek, før det sendes tilbage til Fermilab.

"Når den er sendt tilbage til os, vil vi teste den igen og sikre os, at den stadig fungerer så godt, som den gjorde," sagde Holzbauer. "Det er det ultimative bevis på, at vi kan sende kryomoduler. Og det er dybest set den centrale demonstration [at] vi kan sende alle vores kryomoduler."

Endelig vil STFC om et par år sende produktionskryomodulerne i deres egen raffinerede version af forsendelsesrammen til Fermilab til konstruktion af PIP-II. Kane sagde, at de allerede har noteret sig nogle små justeringer i designet, som de vil lave til den britiske ramme.

Så i 2025 bliver det CEA's tur til at tage deres egen transportramme i brug. Når produktionen begynder, planlægger de franske samarbejdspartnere at sende kryomoduler til Fermilab med et tempo på et om måneden.

Robin Cubizolles, en ingeniør ved CEA og en PIP-II underprojektkoordinator for kryomoduler og transport, observerede procedurerne for montering og design af denne testramme og sagde, at han lærte meget, at han vil informere CEA transportsystemet.

"Jeg vil gerne takke Fermilab for det gode samarbejde. [Der er] meget gennemsigtighed i alle aspekter," sagde Cubizolles. "For mig er det mit første projekt med denne form for [samarbejdsarrangement], og det er virkelig rart at se det."

Indtil videre er testrammesamlingen et eksempel på et succesfuldt samarbejde mellem et internationalt team – forhåbentlig en af ​​mange sejre, der venter for PIP-II.

"Ved at arbejde mellem det tekniske team her som mig selv, instrumenteringsfolkene her og partnerne både hos CEA og STFC, synes jeg, vi lavede en masse meget gode designændringer i forplanlægningsfasen," sagde Holzbauer. "Vi fik rigtig mange af vores procedurer på linje, virkelig undersøgt, og alle specifikationerne var meget rene. De hjalp os med leverandørovervågning. Og så det hele er bygget op til i dag, hvor vi alle kom sammen rigtig glat, virkelig rent, meget sikkert, og det hele gik præcis, som vi ville have det." + Udforsk yderligere

Accelerator tager på langrend for at muliggøre laseropgradering