Cryomodules zijn essentiële componenten voor de upgrade van het acceleratorcomplex van het Fermi National Accelerator Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, bekend als het Proton Improvement Plan II of PIP-II.

PIP-II beschikt over een gloednieuwe, 800 miljoen elektronvolt geavanceerde supergeleidende radiofrequentie lineaire versneller, of kortweg linac, waarmee Fermilab meer dan 1 megawatt straalvermogen kan produceren, 60% hoger dan de huidige mogelijkheden. Om deze baanbrekende prestatie te bereiken, zal de linac bestaan ​​uit cryomodules, dit zijn vaten die niobiumholtes bevatten.

PIP-II, de eerste deeltjesversneller op Amerikaanse bodem, gebouwd met aanzienlijke bijdragen van internationale partners, zal drie geassembleerde cryomodules ontvangen van partners van de Science and Technology Facilities Council in het Verenigd Koninkrijk en negen geassembleerde cryomodules van Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatieven, of CEA, in Frankrijk.

Het veilig transporteren van deze delicate en dure geassembleerde componenten naar Fermilab zal een grote uitdaging zijn voor het PIP-II-team. Op basis van een recente ervaring waarbij een cryomodule voor een ander experiment tijdens het transport werd beschadigd, neemt het team extra voorzorgsmaatregelen om het veilige transport van de cryomodules van PIP-II te garanderen, waaronder uitgebreide tests van het transportsysteem.

De eerste stap was het ontwerpen, bouwen en testen van een transportframe dat de cryomodules zal vasthouden en beschermen. Terwijl PIP-II-medewerkers bij STFC - en later CEA - uiteindelijk hun eigen frame zullen ontwerpen en bouwen, werd een prototype van het STFC-frame gebouwd in Fermilab, waar het zal worden gebruikt om een ​​dummy load en prototype cryomodules te verzenden. Dit ontwerp en deze validatie zijn een teaminspanning tussen de drie laboratoria, waarbij de resultaten en geleerde lessen van invloed zijn op het ontwerp van de uiteindelijke verzendframes die de productie-cryomodules van STFC en CEA naar Fermilab zullen transporteren.

"Het hele project werkt als één om één benadering voor transport [te bereiken]", zegt Jeremiah Holzbauer, een Fermilab-wetenschapper in het PIP-II Technical Integration Office. "We leren allemaal samen door dit eerste proces."

Mitchell Kane, een mechanische projectingenieur bij STFC, ontwierp het testframe in nauwe samenwerking met Fermilab, die vervolgens een Amerikaans bedrijf inhuurde om het frame te bouwen.

Het moeilijkste deel van het proces, zei Kane, was dat er nog geen definitief ontwerp is voor de cryomodule die het frame uiteindelijk zal bevatten. "Je moet enige flexibiliteit hebben in het ontwerp. Met flexibiliteit is er onzekerheid", zei Kane.

Het Fermilab-team heeft een dummy load gefabriceerd als replica van de cryomodule - in wezen betonnen blokken met de afmetingen, het gewicht en de bevestigingspunten van de cryomodule. Vervolgens demonstreerden ze de complexe installatie van de dummy load in het testframe en maakten het klaar voor transporttests.

"We waren in staat om voor het eerst een vrij vlekkeloze eerste keer te hebben om dit ding op te zetten", zegt Ryan Thiede, technisch specialist voor de assemblage van cryomodules. "Het pakte redelijk goed uit. Alles stond op een rij. We hadden heel weinig problemen en het leek alsof iedereen behoorlijk onder de indruk was van de eerste doorstart van de setup."

Kane bezocht Fermilab eind april om toezicht te houden op de montage van het frame en de dummy load-test. "Vanwege COVID en alles had ik al tweeënhalf jaar niets fysieks gezien. Dus om daarheen te gaan en mijn ontwerp persoonlijk te zien en het zonder problemen samen te gaan, was waarschijnlijk het beste [deel van deze ervaring]," zei hij.

Op 25 april onderging het testframe een drie uur durende test op de snelweg om de prestaties van het isolatiesysteem te controleren, dat is ontworpen om de rit van de cryomodule te dempen. "Het ging extreem soepel. Het ontwerp is best goed", zei Holzbauer.

Deze zomer wordt het testframe met de dummyload naar het VK verscheept, waar STFC-technici het zullen demonteren, weer in elkaar zetten en terugsturen naar Fermilab. Dit proces controleert ook de transportlogistiek, zoals douane-inspecties en het laden van vliegtuigen.

"Als dat lukt, is het transportsysteem geverifieerd", zegt Holzbauer.

Vervolgens zal PIP-II het frame gebruiken om een ​​prototype cryomodule naar het VK te verzenden, wat momenteel gepland staat voor het einde van dit jaar. Eenmaal daar zullen PIP-II-partners bij STFC de prototype-cryomodule uitladen en door instrumentatie en vacuümcontroles leiden voordat ze teruggestuurd worden naar Fermilab.

"Zodra het naar ons is teruggestuurd, zullen we het opnieuw testen en ervoor zorgen dat het echt nog steeds zo goed presteert als het deed", zei Holzbauer. "Dat is het ultieme bewijs dat we cryomodules kunnen verzenden. En dat is in feite de kerndemonstratie [dat] we al onze cryomodules kunnen verzenden."

Ten slotte zal de STFC over een paar jaar de productie-cryomodules in hun eigen verfijnde versie van het verzendframe naar Fermilab verschepen voor de bouw van PIP-II. Kane zei dat ze al enkele kleine aanpassingen hebben opgemerkt in het ontwerp dat ze zullen aanbrengen in het Britse frame.

In 2025 is het dan de beurt aan CEA om een ​​eigen transportframe in gebruik te nemen. Zodra de productie begint, zijn de Franse medewerkers van plan om cryomodules naar Fermilab te verzenden in een tempo van één per maand.

Robin Cubizolles, een ingenieur bij CEA en een PIP-II-subprojectcoördinator voor cryomodules en transport, observeerde de procedures voor de assemblage en het ontwerp van dit testframe en zei dat hij veel heeft geleerd dat hij het CEA-transportsysteem zal informeren.

"Ik wil Fermilab bedanken voor de goede samenwerking. [Er is] veel transparantie in elk aspect", zei Cubizolles. "Voor mij is het mijn eerste project met dit soort [samenwerkingsverband], en het is heel leuk om dat te zien."

Voorlopig is de montage van het testframe een voorbeeld van de succesvolle samenwerking van een internationaal team - hopelijk een van de vele triomfen die voor PIP-II zullen komen.

"Door te werken tussen het technische team hier zoals ikzelf, de instrumentatiemensen hier en de partners van zowel CEA als STFC, denk ik dat we veel zeer goede ontwerpwijzigingen hebben aangebracht in de pre-planningsfase", zei Holzbauer. "We hebben veel van onze procedures echt op één lijn gebracht, echt doorgelicht, en alle specificaties waren erg schoon. Ze hielpen ons met het toezicht op de leveranciers. En dat is allemaal opgebouwd tot vandaag, toen we allemaal heel soepel, echt schoon, samenkwamen, heel veilig, en het ging allemaal precies zoals we het wilden." + Verder verkennen

Accelerator maakt trektocht door het hele land om laserupgrade mogelijk te maken