斯坦福大學:氦氣冷卻粒子加速器的令人毛骨悚然的旅程
在獲得破紀錄的 X 射線的途中，SLAC 的低溫團隊建造了一個氦制冷裝置，將 LCLS-II 加速器降低到超導溫度。
如今，能源部 SLAC 加速器實驗室的超導粒子加速器只需一個半小時就能制造出比外太空更冷的溫度。
“現(xiàn)在你點擊一個按鈕，機器就會從 4.5 開爾文降至 2 開爾文，”SLAC 低溫團隊主任 Eric Fauve 說。
雖然這個過程現(xiàn)在是完全自動化的，但是讓這個稱為 LCLS-II 的加速器達到 2 開爾文或負 456 華氏度，需要六年的時間來設(shè)計、建造、安裝和啟動一個復(fù)雜的系統(tǒng)。
初的 LCLS 或直線加速器相干光源加速電子，終產(chǎn)生用于原子和分子探測實驗的 X 射線。LCLS-II 將與 LCLS 同時工作。然而，與在室溫下使用銅部件加速電子的 LCLS 不同，LCLS-II 升級版采用了超導低溫模塊。這些低溫模塊更有效地為電子提供能量，這將有助于產(chǎn)生更強大的 X 射線脈沖，從而擴大跨領(lǐng)域的實驗可能性。
但是，雖然 LCLS 可以在室溫下運行，但LCLS-II 必須冷卻到 2 開爾文，僅比零高 4 華氏度，才能成為超導。
這意味著 SLAC 需要一個團隊來專注于冷的東西。
組建團隊組裝低溫裝置
在 LCLS-II 冷卻之前，SLAC 沒有專門從事低溫研究的小組。
“我們的挑戰(zhàn)是，這是我們次與新團隊合作，”Fauve 說。
LCLS-II 低溫團隊現(xiàn)在由 20 名操作員和工程師組成，于 2016 年在 SLAC 成立，旨在建造冷卻加速器的設(shè)施：低溫工廠。
“這是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，有許多協(xié)同工作的子系統(tǒng)，”LCLS-II 的首席低溫工藝工程師 Viswanath Ravindranath 說。
SLAC 與美國能源部費米加速器實驗室和杰斐遜加速器設(shè)施的工程師以及的低溫公司密切合作，為低溫裝置設(shè)計和采購材料。
LCLS-II 低溫裝置的示意圖。（格雷格·斯圖爾特/SLAC 加速器實驗室）
“這種合作使 LCLS-II 項目能夠從 DOE 實驗室和其他地方的低溫資源中受益，”Fauve 說。
低溫裝置充滿氦氣，氦氣冷卻后泵入 LCLS-II。當所有其他元素凍結(jié)在 4 開爾文以下時，氦可以保持流體狀態(tài)，而在 2 開爾文時，氦變成超流體，這意味著它在沒有粘性的情況下流動。這一事實，以及超流氦比任何其他已知物質(zhì)都具有更好的導熱能力，使其成為冷卻超導加速器的完美制冷劑。
在冷卻開始之前，堆滿熱狗形儲罐的拖車將環(huán)境溫度（約 300 開爾文）的氣態(tài)氦輸送到低溫裝置的室外儲罐。低溫裝置總共需要四公噸的氦氣。
但這種氦到達時并不純。任何雜質(zhì)終都會凍結(jié)并堵塞系統(tǒng)，因此首先凈化器必須捕獲任何水分或不需要的氣體，例如氮氣，以達到 99.999% 的氦氣。
凈化后，壓縮機提高氦氣的壓力。氣體的壓力和溫度是耦合的：隨著壓力降低，溫度也會降低。因此，雖然稍后會有所幫助，但這會順便將氦的溫度提高到 370 開爾文。
壓縮后，五個裝有冷卻水的大型塔用于將氦的溫度降低到 300 開爾文。然后氣體進入低溫裝置的 4K 冷箱，這是一個巨大的、超級復(fù)雜的氦制冷機。
在冷箱中，運行 77 開爾文的液氮在熱交換器中將氦氣從 300 開爾文降至 80 開爾文。在該裝置中，溫暖的氦氣和較冷的液氮沿相反的方向傳播，同時被薄金屬板隔開，通過金屬板將熱量從氦氣傳遞到氮氣。該工廠每隔使用 20 公噸液氮。
然后氦氣通過一組四個渦輪膨脹機。現(xiàn)在，初的氣體壓縮步驟得到了回報：渦輪膨脹機將高壓氣體膨脹，將其壓力降低到足以將氦氣帶到 5.5 開爾文。
然而，氦在離開冷箱之前還有更多的膨脹要做。它穿過另一側(cè)壓力較低的閥門。這種較低的壓力會導致氣體膨脹，從而降低其壓力并將其溫度降至 4.5 開爾文（因此稱為 4K 冷箱），在那里它變成了液體。
然后，這種液氦通過管道輸送到加速器的低溫模塊，在那里它將機器冷卻到 4.5 開爾文。
4K 冷箱啟動并運行后，Cryogenic 團隊花了一周時間將 LCLS-II 從室溫冷卻到 2022 年 3 月 28 日達到 4.5 開爾文。但這還不夠冷！
LCLS-II 加速器的橫截面顯示液態(tài)和氣態(tài)氦流入和流出系統(tǒng)的位置。（格雷格·斯圖爾特/SLAC 加速器實驗室）
更冷
為了達到 2 開爾文，4.5 開爾文的氦氣通過加速器低溫模塊中的閥門再次（終）膨脹。同樣，閥門另一側(cè)的較低壓力會導致氦氣的壓力下降。這會將氦氣冷卻到 2 開爾文的目標溫度。
在低溫模塊內(nèi)部產(chǎn)生低壓本身就是一項壯舉。
“當它通過那個閥門時會發(fā)生奇跡，但這只是因為我們有一系列冷壓縮機，可以將低溫模塊中的壓力保持在非常低的壓力，”Fauve 說。這組 5 臺壓縮機位于閥門之后，在閥門的任一側(cè)產(chǎn)生關(guān)鍵壓差。
在開啟和配置這個冷卻系統(tǒng)幾個月后，LCLS-II 終于在 4 月 15 日達到了 2 開爾文。
LCLS-II 的低溫過程和控制工程師 Swapnil Shrishrimal 說：“由于這么多聰明和敬業(yè)的人多年來的辛勤工作，一切皆有可能?！?nbsp;“作為一個小團隊，也是一個年輕的團隊，我們?yōu)槲覀兾械南到y(tǒng)感到非常自豪?！?/span>
當電子束打開并被低溫模塊加速時，2 開爾文氦將從加速器吸收熱量，沸騰，然后變成氣體。該氣體被注入回 4K 冷箱中，以幫助冷卻較熱的氦氣。
“我們不想浪費冷卻能力，所以我們嘗試盡可能多地回收它，”Ravindranath 說。該系統(tǒng)回收了昂貴的氦氣，但對長期運行至關(guān)重要。
Cryogenic 團隊實際上建造了兩臺低溫裝置，它們共用一座建筑物，但 LCLS-II 只使用了一臺。第二個低溫裝置將支持對 LCLS-II 的計劃升級。當兩臺低溫裝置都啟動時，它們將使用大約 10 兆瓦的電力。
美國只有其他四個低溫裝置將這么多的氦冷卻到 2 開爾文。托馬斯杰斐遜加速器設(shè)施和費米加速器實驗室都擁有類似規(guī)模的低溫裝置，支持 SLAC 的設(shè)備設(shè)計和采購。SLAC 還與橡樹嶺實驗室、布魯克海文實驗室和 CERN 合作。
“我們合作實驗室多年的專業(yè)知識和支持使我們能夠做到這一點，”Shrishrimal 說。
Fauve 還將團隊的成功歸功于他們廣泛的規(guī)劃和奉獻精神。整個低溫團隊在大流行期間留在現(xiàn)場，繼續(xù)使植物恢復(fù)生機。
“即使 SLAC 被關(guān)閉，如果你在冷凍廠，你也無法區(qū)分 COVID 之前和期間的區(qū)別，”Fauve 說，當然，除了口罩和社交距離。
LCLS-II 預(yù)計將在明年初產(chǎn)生批 X 射線。Cryogenic 團隊相信他們將繼續(xù)輕松地運行他們非常復(fù)雜的冰箱。
“現(xiàn)在這是一個非常好的和簡單的操作，因為一切都是自動化的，”Shrishrimal 說。
該項目得到了美國能源部科學辦公室的支持。LCLS 是美國能源部科學用戶設(shè)施辦公室。
