Heute dauert es nur eineinhalb Stunden, um einen supraleitenden Teilchenbeschleuniger im SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums kälter als den Weltraum zu machen.
„Jetzt klicken Sie auf eine Schaltfläche und die Maschine geht von 4,5 Kelvin auf 2 Kelvin herunter“, sagte Eric Fauve, Direktor des Cryogenic-Teams bei SLAC.
Während der Prozess jetzt vollständig automatisiert ist, dauerte es sechs Jahre, um diesen Beschleuniger namens LCLS-II auf 2 Kelvin oder minus 456 Grad Fahrenheit zu bringen, um ein kompliziertes System zu entwerfen, zu bauen, zu installieren und in Betrieb zu nehmen.
Die ursprüngliche LCLS oder Linac Coherent Light Source beschleunigt Elektronen, um schließlich Röntgenstrahlen zu erzeugen, die in Experimenten zur Untersuchung von Atomen und Molekülen verwendet werden. LCLS-II arbeitet gleichzeitig mit LCLS. Im Gegensatz zu LCLS, das Kupferteile bei Raumtemperatur verwendet, um Elektronen zu beschleunigen, verwendet das LCLS-II-Upgrade supraleitende Kryomodule. Diese Kryomodule versorgen Elektronen effizienter mit Energie, was dazu beitragen wird, stärkere Röntgenpulse zu erzeugen, um die experimentellen Möglichkeiten in allen Bereichen zu erweitern.
Aber während LCLS bei Raumtemperatur betrieben werden kann, muss LCLS-II auf 2 Kelvin gekühlt werden, nur 4 Grad Fahrenheit über dem absoluten Nullpunkt, um supraleitend zu werden.
Und das bedeutete, dass SLAC ein Team brauchte, das sich auf kalte Sachen konzentrierte.
Zusammenstellung eines Teams zur Montage einer Kryoanlage
Vor dem Abkühlen des LCLS-II gab es bei SLAC keine Gruppe, die sich der Kryotechnik widmete.
„Unsere größte Herausforderung war, dass wir das zum ersten Mal mit einem neuen Team gemacht haben“, sagte Fauve.
Das kryogene LCLS-II-Team, das jetzt aus 20 Bedienern und Ingenieuren besteht, wurde 2016 am SLAC gegründet, um die Anlage zu bauen, die den Beschleuniger kühlt: eine kryogene Anlage.
„Dies ist ein kompliziertes System mit vielen Teilsystemen, die zusammenarbeiten“, sagte Viswanath Ravindranath, leitender Tieftemperatur-Prozessingenieur für LCLS-II.
SLAC arbeitete eng mit Ingenieuren des Fermi National Accelerator Laboratory und der Jefferson National Accelerator Facility des DOE sowie führenden kryogenen Unternehmen zusammen, um Materialien für die Kryoanlage zu entwerfen und zu beschaffen.
„Diese Zusammenarbeit ermöglichte es dem LCLS-II-Projekt, von den besten kryogenen Ressourcen innerhalb der DOE-Labors und anderswo zu profitieren“, sagte Fauve.
Die Kryoanlage wird mit Helium gefüllt, das gekühlt und dann zu LCLS-II gepumpt wird. Während jedes andere Element unter 4 Kelvin gefriert, kann Helium flüssig bleiben und bei 2 Kelvin wird Helium superflüssig, d.h. es fließt ohne Viskosität. Diese Tatsache und die Fähigkeit von superflüssigem Helium, Wärme besser zu leiten als jede andere bekannte Substanz, machen es zum perfekten Kältemittel zum Abkühlen eines supraleitenden Beschleunigers.
Bevor die Kühlung beginnt, liefern Trailer mit hotdogförmigen Tanks gasförmiges Helium mit Umgebungstemperatur (ca. 300 Kelvin) in die Außenlagertanks der Kryoanlage. Insgesamt benötigt die Kryoanlage vier Tonnen Helium.
Aber dieses Helium kommt unrein an. Jegliche Verunreinigungen gefrieren schließlich und verstopfen das System, daher müssen Reiniger zunächst Feuchtigkeit oder unerwünschte Gase wie Stickstoff einfangen, um 99,999 % Helium zu erreichen.
Nach der Reinigung erhöhen Kompressoren den Druck des Heliums. Druck und Temperatur eines Gases sind gekoppelt: Mit sinkendem Druck sinkt auch die Temperatur. Während dies später hilfreich ist, erhöht dies übrigens die Temperatur von Helium auf 370 Kelvin.
Nach der Kompression werden fünf große Türme mit Kühlwasser verwendet, um die Temperatur des Heliums wieder auf 300 Kelvin zu senken. Das Gas gelangt dann in die 4K-Coldbox der Kryoanlage, die ein riesiger, überkomplizierter Heliumkühlschrank ist.
In der Coldbox schlägt flüssiger Stickstoff mit 77 Kelvin das Helium in einem Wärmetauscher von 300 Kelvin auf 80 Kelvin herunter. In diesem Gerät bewegen sich das warme Heliumgas und der kältere flüssige Stickstoff in entgegengesetzte Richtungen, während sie durch eine dünne Metallplatte getrennt sind, wodurch Wärme durch die Platte vom Helium auf den Stickstoff übertragen wird. Die Anlage verbraucht jeden zweiten Tag 20 Tonnen flüssigen Stickstoff.
Das Helium durchläuft dann einen Satz von vier Turboexpandern. Jetzt zahlt sich der anfängliche Gasverdichtungsschritt aus: Die Turboexpander expandieren das Hochdruckgas und senken seinen Druck so weit, dass das Helium bis auf 5,5 Kelvin gebracht wird.
Das Helium muss sich jedoch noch weiter ausdehnen, bevor es die Coldbox verlassen kann. Es fließt durch ein Ventil, das auf der anderen Seite niedrigeren Druck hat. Dieser niedrigere Druck bewirkt, dass sich das Gas ausdehnt, seinen Druck senkt und seine Temperatur auf 4,5 Kelvin (daher der Name der 4K-Coldbox) senkt, wo es flüssig wird.
Dieses flüssige Helium wird dann durch Rohre zu den Kryomodulen des Beschleunigers geleitet, wo es die Maschine auf 4,5 Kelvin abkühlt.
Nachdem die 4K-Coldbox in Betrieb war, brauchte das Cryogenic-Team eine Woche, um LCLS-II von Raumtemperatur auf 4,5 Kelvin abzukühlen, die am 28. März 2022 erstmals erreicht wurden. Aber das ist nicht kalt genug!
Noch kälter
Um 2 Kelvin zu erreichen, wird das 4,5-Kelvin-Helium durch ein Ventil in den Kryomodulen des Beschleunigers noch einmal (endgültig) expandiert. Auch hier bewirkt der niedrigere Druck auf der anderen Seite des Ventils, dass der Heliumdruck abfällt. Dieser kühlt Helium auf die Zieltemperatur von 2 Kelvin ab.
Eric Fauve von LCLS-II erklärt, wie das Team den Beschleuniger auf 2 Kelvin kühlt. Kredit: Max Granoski & Olivier Bonin/SLAC National Accelerator Laboratory
Das Erzeugen des Unterdrucks im Inneren des Kryomoduls ist eine Meisterleistung für sich.
„Die Magie passiert, wenn es durch dieses Ventil geht, aber nur, weil wir einen Zug kalter Kompressoren haben, die den Druck im Kryomodul auf sehr niedrigem Druck halten“, sagte Fauve. Dieser Satz von fünf Kompressoren, die nach dem Ventil stationiert sind, erzeugt die entscheidende Druckdifferenz auf beiden Seiten des Ventils.
Nach monatelangem Einschalten und Konfigurieren dieses Kühlsystems erreichte LCLS-II am 15. April schließlich 2 Kelvin.
„Alles war möglich aufgrund all der harten Arbeit so vieler kluger und engagierter Menschen im Laufe der Jahre“, sagte Swapnil Shrishrimal, Ingenieur für kryogene Prozesse und Steuerungen bei LCLS-II. „Als kleines und junges Team sind wir sehr stolz auf die von uns in Betrieb genommene Anlage.“
Wenn der Elektronenstrahl eingeschaltet ist und von den Kryomodulen beschleunigt wird, absorbiert das 2-Kelvin-Helium Wärme vom Beschleuniger, siedet und verwandelt sich wieder in Gas. Dieses Gas wird zurück in die 4K-Coldbox geleitet, um das wärmere Helium zu kühlen.
„Wir wollen die Kühlkapazität nicht verschwenden, also versuchen wir, so viel wie möglich davon zurückzugewinnen“, sagte Ravindranath. Die Anlage recycelt das teure, aber für den langfristigen Betrieb unerlässliche Helium.
Das Cryogenic-Team hat tatsächlich zwei Kryoanlagen gebaut, die sich ein Gebäude teilen, aber LCLS-II verwendet nur eine. Die zweite Kryoanlage wird geplante Upgrades auf LCLS-II unterstützen. Wenn beide Kryoanlagen eingeschaltet sind, werden sie etwa 10 Megawatt elektrische Leistung verbrauchen.
Nur vier andere Kryoanlagen in den USA kühlen so viel Helium auf 2 Kelvin. Die Thomas Jefferson National Accelerator Facility und das Fermi National Accelerator Laboratory, die beide Kryoanlagen ähnlicher Größe beherbergen, unterstützten das Design und die Beschaffung von Ausrüstung durch SLAC. SLAC arbeitete auch mit dem Oak Ridge National Laboratory, dem Brookhaven National Laboratory und dem CERN zusammen.
„Die jahrelange Expertise und Unterstützung unserer Partnerlabore hat uns dies ermöglicht“, sagte Shrisrimal. Fauve schreibt den Erfolg des Teams auch seiner umfassenden Planung und Hingabe zu. Das gesamte Cryogenic-Team blieb während der Pandemie vor Ort, um die Anlage weiter zum Leben zu erwecken.
„Selbst als SLAC geschlossen wurde, konnten Sie in der Kryofabrik vor und während COVID keinen Unterschied feststellen“, sagte Fauve, abgesehen von den Masken und der sozialen Distanzierung natürlich.
LCLS-II wird voraussichtlich Anfang nächsten Jahres seine ersten Röntgenstrahlen produzieren. Das Cryogenic-Team ist zuversichtlich, dass es seinen sehr komplizierten Kühlschrank weiterhin problemlos betreiben wird.
„Es ist jetzt eine ziemlich schöne und einfache Operation, weil alles automatisiert ist“, sagte Shrisrimal.