Heliums avkjølende reise for å avkjøle en partikkelakselerator

I dag tar det bare én og en halv time å gjøre en superledende partikkelakselerator ved Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory kaldere enn verdensrommet.

“Nå klikker du på en knapp og maskinen får fra 4,5 Kelvin ned til 2 Kelvin,” sa Eric Fauve, direktør for Cryogenic-teamet hos SLAC.

Selv om prosessen er helautomatisert nå, tok det seks år å designe, bygge, installere og starte opp et intrikat system å få denne akseleratoren, kalt LCLS-II, til 2 Kelvin, eller minus 456 grader Fahrenheit.

Den originale LCLS, eller Linac Coherent Light Source, akselererer elektroner for til slutt å produsere røntgenstråler som brukes i atom- og molekyl-probing-eksperimenter. LCLS-II vil fungere samtidig med LCLS. Men i motsetning til LCLS, som bruker kobberdeler kl romtemperatur for å akselerere elektroner, bruker LCLS-II-oppgraderingen superledende kryomoduler. Disse kryomodulene gir elektroner energi mer effektivt, noe som vil bidra til å generere kraftigere røntgenpulser for å utvide eksperimentelle muligheter på tvers av felt.

Men mens LCLS kan fungere ved romtemperatur, må LCLS-II avkjøles til 2 Kelvin, bare 4 grader Fahrenheit over absolutt null, for å bli superledende.

Og det betydde at SLAC trengte et team for å fokusere på kalde ting.

Sette sammen et team for å sette sammen en kryoplante

Før LCLS-II avkjølte seg, var det ingen gruppe viet til kryogenikk ved SLAC.

“Vår største utfordring var at dette var første gang vi gjorde dette med et nytt team,” sa Fauve.

LCLS-II Cryogenic-teamet, som nå består av 20 operatører og ingeniører, ble dannet i 2016 på SLAC for å konstruere anlegget som kjøler ned akseleratoren: et kryogent anlegg.

“Dette er et komplisert system med mange delsystemer som fungerer sammen,” sa Viswanath Ravindranath, ledende kryogen prosessingeniør for LCLS-II.

SLAC jobbet tett med ingeniører fra DOEs Fermi National Accelerator Laboratory og Jefferson National Accelerator Facility, samt ledende kryogene selskaper for å designe og anskaffe materialer til kryoplanten.

“Dette samarbeidet tillot LCLS-II-prosjektet å dra nytte av de beste kryogene ressursene innen DOE-laboratoriene og andre steder,” sa Fauve.

Kryoplanten er fylt med helium, som avkjøles og deretter pumpes til LCLS-II. Mens hvert annet element fryser under 4 Kelvin, kan helium forbli en væske, og ved 2 Kelvin blir helium superflytende, noe som betyr at det flyter uten viskositet. Dette faktum, og superfluid heliums evne til å lede varme bedre enn noe annet kjent stoff, gjør det til det perfekte kjølemediet for å kjøle ned en superledende akselerator.

Før kjølingen begynner, leverer trailere stablet med pølseformede tanker gassformig helium ved omgivelsestemperatur (ca. 300 Kelvin) til kryoanleggets utendørs lagringstanker. Kryoplanten krever totalt fire metriske tonn helium.

Men dette heliumet kommer urent. Eventuelle urenheter vil til slutt fryse og tette systemet, så de første renserne må fange opp fuktighet eller uønskede gasser, for eksempel nitrogen, for å oppnå 99,999 % helium.

Etter rensing øker kompressorer heliumets trykk. Trykket og temperaturen til en gass er koblet sammen: når trykket synker, synker også temperaturen. Så selv om det er nyttig senere, øker dette forresten heliums temperatur til 370 Kelvin.

Etter kompresjon brukes fem store tårn som inneholder kjølevann for å senke heliums temperatur tilbake til 300 Kelvin. Gassen kommer deretter inn i kryoplantens 4K kjøleboks, som er et gigantisk, uberkomplisert heliumkjøleskap.

I kjøleboksen, flytende nitrogen kjører 77 Kelvin slår heliumet ned fra 300 Kelvin til 80 Kelvin i en varmeveksler. I denne enheten beveger den varme heliumgassen og det kaldere flytende nitrogenet i motsatte retninger mens de er adskilt av en tynn metallplate, og overfører varme gjennom platen fra heliumet til nitrogenet. Anlegget bruker 20 tonn flytende nitrogen annenhver dag.

Heliumet renner deretter gjennom et sett med fire turboekspandere. Nå lønner det seg det første gasskomprimeringstrinnet: Turboekspanderene utvider høytrykksgassen, og senker trykket nok til å bringe heliumet helt til 5,5 Kelvin.

Heliumet har imidlertid mer å utvide seg før det kan forlate kjøleboksen. Den går gjennom en ventil som har lavere trykk på den andre siden. Dette lavere trykket får gassen til å utvide seg, senke trykket og bringe temperaturen ned til 4,5 Kelvin (derav navnet på 4K-kjøleboksen), hvor den blir til en væske.

Dette flytende heliumet sendes deretter gjennom rør til akseleratorens kryomoduler, hvor det avkjøler maskinen til 4,5 Kelvin.

Når 4K-kjøleboksen var i gang, tok det Cryogenic-teamet én uke å avkjøle LCLS-II fra romtemperatur til 4,5 Kelvin, som den nådde for første gang 28. mars 2022. Men det er ikke kaldt nok!

Fortsatt kaldere

For å nå 2 Kelvin gjennomgår 4,5 Kelvin helium nok en (endelig) ekspansjon gjennom en ventil i akseleratorens kryomoduler. Igjen fører det lavere trykket på den andre siden av ventilen til at heliums trykk faller. Dette kjøler ned helium til måltemperaturen på 2 Kelvin.

Å skape lavtrykket inne i kryomodulen er en bragd i seg selv.

“Magien skjer når den går gjennom den ventilen, men bare fordi vi har et tog med kalde kompressorer som opprettholder trykket i kryomodulen ved veldig lavt trykk,” sa Fauve. Dette settet med fem kompressorer stasjonert etter ventilen skaper pivotal press forskjell på hver side av ventilen.

Etter måneder med å slå på og konfigurere dette kjølesystemet, nådde LCLS-II endelig 2 Kelvin 15. april.

“Alt var mulig på grunn av alt det harde arbeidet gjennom årene fra så mange smarte og dedikerte mennesker,” sa Swapnil Shrishrimal, kryogen prosess- og kontrollingeniør for LCLS-II. “Som et lite lag, så vel som et ungt lag, er vi veldig stolte av systemet vi har tatt i bruk.”

Når elektronstrålen er på og blir akselerert av kryomodulene, vil 2 Kelvin helium absorbere varme fra akseleratoren, koke og bli tilbake til gass. Den gassen injiseres tilbake i 4K-kjøleboksen for å hjelpe til med å avkjøle varmere helium.

“Vi ønsker ikke å kaste bort kjølekapasiteten, så vi prøver å gjenvinne så mye av den som mulig,” sa Ravindranath. Systemet resirkulerer helium, noe som er dyrt, selv om det er avgjørende for langsiktig drift.

Cryogenic-teamet bygde faktisk to kryoplanter, som deler en bygning, men LCLS-II bruker bare én. Den andre kryoplanten vil støtte planlagte oppgraderinger til LCLS-II. Når begge kryoanleggene er på, vil de bruke omtrent 10 megawatt elektrisk kraft.

Bare fire andre kryoplanter i USA avkjøler så mye helium til 2 Kelvin. Thomas Jefferson National Accelerator Facility og Fermi National Accelerator Laboratory, som begge huser kryoplanter av lignende størrelse, støttet SLACs design og anskaffelse av utstyr. SLAC samarbeidet med Oak Ridge National Laboratory, Brookhaven National Laboratory og CERN også.

“Årene med ekspertise og støtte fra våre partnerlaboratorier tillot oss å gjøre dette,” sa Shrishrimal. Fauve krediterer også teamets suksess for deres omfattende planlegging og engasjement. Hele Cryogenic-teamet ble på stedet under pandemien for å fortsette å bringe planten til live.

“Selv når SLAC ble stengt, hvis du var på kryoplanten, ville du ikke kunne se forskjell før og under COVID,” sa Fauve, bortsett fra maskene og sosial distansering, selvfølgelig.

LCLS-II forventes å produsere sine første røntgenbilder tidlig neste år. Cryogenic-teamet føler seg sikre på at de vil fortsette å kjøre det svært kompliserte kjøleskapet sitt med letthet.

“Det er en ganske fin og enkel operasjon nå fordi alt er automatisert,” sa Shrishrimal.

---

---