Aujourd’hui, il ne faut qu’une heure et demie pour rendre un accélérateur de particules supraconductrices au SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l’Énergie plus froid que l’espace extra-atmosphérique.
« Maintenant, vous cliquez sur un bouton et la machine passe de 4,5 Kelvin à 2 Kelvin », a déclaré Eric Fauve, directeur de l’équipe cryogénique du SLAC.
Alors que le processus est maintenant entièrement automatisé, amener cet accélérateur, appelé LCLS-II, à 2 Kelvin, ou moins 456 degrés Fahrenheit, a pris six ans de conception, de construction, d’installation et de démarrage d’un système complexe.
Le LCLS original, ou Linac Coherent Light Source, accélère les électrons pour finalement produire des rayons X utilisés dans les expériences de sondage d’atomes et de molécules. LCLS-II fonctionnera en même temps que LCLS. Cependant, contrairement au LCLS, qui utilise des pièces en cuivre à température ambiante pour accélérer les électrons, la mise à niveau LCLS-II utilise des cryomodules supraconducteurs. Ces cryomodules transmettent plus efficacement l’énergie des électrons, ce qui contribuera à générer des impulsions de rayons X plus puissantes pour élargir les possibilités expérimentales dans tous les domaines.
Mais, alors que LCLS peut fonctionner à température ambiante, LCLS-II doit être refroidi à 2 Kelvin, à seulement 4 degrés Fahrenheit au-dessus du zéro absolu, pour devenir supraconducteur.
Et cela signifiait que le SLAC avait besoin d’une équipe pour se concentrer sur les choses froides.
Constituer une équipe pour assembler une cryoplante
Avant le refroidissement du LCLS-II, il n’y avait pas de groupe consacré à la cryogénie au SLAC.
« Notre plus grand défi était que c’était la première fois que nous faisions cela avec une nouvelle équipe », a déclaré Fauve.
L’équipe cryogénique du LCLS-II, aujourd’hui composée de 20 opérateurs et ingénieurs, s’est formée en 2016 au SLAC pour construire l’installation qui refroidit l’accélérateur : une usine cryogénique.
« Il s’agit d’un système compliqué avec de nombreux sous-systèmes qui fonctionnent en tandem », a déclaré Viswanath Ravindranath, ingénieur en chef des procédés cryogéniques pour LCLS-II.
Le SLAC a travaillé en étroite collaboration avec des ingénieurs du Fermi National Accelerator Laboratory et du Jefferson National Accelerator Facility du DOE, ainsi qu’avec des sociétés cryogéniques de premier plan pour concevoir et acquérir des matériaux pour l’usine cryogénique.
« Cette collaboration a permis au projet LCLS-II de bénéficier des meilleures ressources cryogéniques au sein des laboratoires du DOE et ailleurs », a déclaré Fauve.
La cryoplante est remplie d’hélium, qui est refroidi puis pompé vers le LCLS-II. Alors que tous les autres éléments gèlent en dessous de 4 Kelvin, l’hélium peut rester un fluide, et à 2 Kelvin, l’hélium devient superfluide, ce qui signifie qu’il coule sans viscosité. Ce fait, et la capacité de l’hélium superfluide à mieux conduire la chaleur que toute autre substance connue, en font le réfrigérant parfait pour refroidir un accélérateur supraconducteur.
Avant que le refroidissement ne commence, des remorques remplies de réservoirs en forme de hot-dog livrent de l’hélium gazeux à température ambiante (environ 300 Kelvin) dans les réservoirs de stockage extérieurs de la cryousine. L’usine cryogénique nécessite au total quatre tonnes d’hélium.
Mais cet hélium arrive impur. Toutes les impuretés finiront par geler et obstruer le système, de sorte que les premiers purificateurs doivent piéger toute humidité ou gaz indésirables, tels que l’azote, pour obtenir 99,999 % d’hélium.
Après purification, des compresseurs élèvent la pression de l’hélium. La pression et la température d’un gaz sont couplées : lorsque la pression diminue, la température diminue également. Ainsi, bien qu’utile plus tard, cela élève incidemment la température de l’hélium à 370 Kelvin.
Après compression, cinq grandes tours contenant de l’eau de refroidissement sont utilisées pour abaisser la température de l’hélium à 300 Kelvin. Le gaz entre ensuite dans la boîte froide 4K de la cryoplante, qui est un réfrigérateur à hélium géant et ultra-compliqué.
Dans la boîte froide, l’azote liquide fonctionnant à 77 Kelvin fait chuter l’hélium de 300 Kelvin à 80 Kelvin dans un échangeur de chaleur. Dans cet appareil, l’hélium gazeux chaud et l’azote liquide plus froid se déplacent dans des directions opposées tout en étant séparés par une fine plaque métallique, transférant la chaleur à travers la plaque de l’hélium à l’azote. L’usine utilise 20 tonnes métriques d’azote liquide tous les deux jours.
L’hélium traverse ensuite un ensemble de quatre turbodétendeurs. Maintenant, l’étape initiale de compression du gaz porte ses fruits : les turbodétendeurs dilatent le gaz à haute pression, abaissant suffisamment sa pression pour amener l’hélium jusqu’à 5,5 Kelvin.
Cependant, l’hélium doit encore se dilater avant de pouvoir quitter la boîte froide. Il se déplace à travers une vanne qui a une pression plus faible de l’autre côté. Cette pression plus basse provoque la dilatation du gaz, abaissant sa pression et ramenant sa température à 4,5 Kelvin (d’où le nom de la boîte froide 4K), où il devient liquide.
Cet hélium liquide est ensuite envoyé par des tuyaux vers les cryomodules de l’accélérateur, où il refroidit la machine à 4,5 Kelvin.
Une fois la boîte froide 4K opérationnelle, il a fallu une semaine à l’équipe cryogénique pour refroidir LCLS-II de la température ambiante à 4,5 Kelvin, qu’elle a atteint pour la première fois le 28 mars 2022. Mais ce n’est pas assez froid !
Encore plus froid
Pour atteindre 2 kelvins, l’hélium à 4,5 kelvins subit une nouvelle détente (finale) à travers une vanne dans les cryomodules de l’accélérateur. Encore une fois, la pression plus faible de l’autre côté de la valve fait chuter la pression de l’hélium. Cela refroidit l’hélium à la température cible de 2 Kelvin.
Eric Fauve du LCLS-II explique comment l’équipe refroidit l’accélérateur à 2 kelvins. Crédit : Max Granoski & Olivier Bonin/SLAC National Accelerator Laboratory
Créer la basse pression à l’intérieur du cryomodule est une prouesse en soi.
« La magie opère lorsqu’elle passe par cette vanne, mais uniquement parce que nous avons un train de compresseurs froids qui maintient la pression dans le cryomodule à très basse pression », a déclaré Fauve. Cet ensemble de cinq compresseurs placés après la vanne crée la différence de pression pivot de chaque côté de la vanne.
Après des mois d’activation et de configuration de ce système de refroidissement, LCLS-II a finalement atteint 2 Kelvin le 15 avril.
« Tout a été possible grâce au travail acharné de tant de personnes intelligentes et dévouées au fil des ans », a déclaré Swapnil Shrishrimal, ingénieur en procédés et contrôles cryogéniques pour LCLS-II. « Étant une petite équipe, ainsi qu’une jeune équipe, nous sommes très fiers du système que nous avons commandé. »
Lorsque le faisceau d’électrons est activé et accéléré par les cryomodules, l’hélium à 2 Kelvin absorbe la chaleur de l’accélérateur, bout et redevient gazeux. Ce gaz est réinjecté dans la boîte froide 4K pour aider à refroidir l’hélium plus chaud.
« Nous ne voulons pas gaspiller la capacité de refroidissement, nous essayons donc d’en récupérer le plus possible », a déclaré Ravindranath. Le système recycle l’hélium, qui est coûteux, bien qu’essentiel pour un fonctionnement à long terme.
L’équipe cryogénique a en fait construit deux cryousines, qui partagent un bâtiment, mais LCLS-II n’en utilise qu’une seule. La deuxième usine cryogénique prendra en charge les mises à niveau prévues vers LCLS-II. Lorsque les deux installations cryogéniques sont en marche, elles utiliseront environ 10 mégawatts d’électricité.
Seules quatre autres usines cryogéniques aux États-Unis refroidissent cette quantité d’hélium à 2 Kelvin. Le Thomas Jefferson National Accelerator Facility et le Fermi National Accelerator Laboratory, qui abritent tous deux des cryousines d’une ampleur similaire, ont soutenu la conception et l’achat d’équipements par le SLAC. Le SLAC a également collaboré avec le laboratoire national d’Oak Ridge, le laboratoire national de Brookhaven et le CERN.
« Les années d’expertise et de soutien de nos laboratoires partenaires nous ont permis de le faire », a déclaré Shrishrimal. Fauve attribue également le succès de l’équipe à leur vaste planification et à leur dévouement. Toute l’équipe Cryogénique est restée sur place pendant la pandémie pour continuer à faire vivre l’usine.
« Même lorsque le SLAC a été fermé, si vous étiez à l’usine cryogénique, vous ne seriez pas en mesure de faire la différence avant et pendant le COVID », a déclaré Fauve, à l’exception des masques et de la distanciation sociale, bien sûr.
LCLS-II devrait produire ses premières radiographies au début de l’année prochaine. L’équipe cryogénique est convaincue qu’elle continuera à faire fonctionner facilement son réfrigérateur très compliqué.
« C’est une opération assez agréable et facile maintenant parce que tout est automatisé », a déclaré Shrishrimal.