Criogenia na FAIR: adaptabilidade é fundamental

Jul 23, 2023

A criogenia é uma tecnologia essencial no Centro de Pesquisa de Antiprótons e Íons (FAIR), que está em construção na Alemanha. Joe McEntee conversa com Holger Kollmus e Marion Kauschke – que juntos lideram o programa de criogenia da FAIR – sobre os segredos do sucesso em temperaturas ultrabaixas.

O Centro de Pesquisa de Antiprótons e Íons (FAIR) em Darmstadt, Alemanha, representa uma ambiciosa reimaginação do Centro GSI Helmholtz para Pesquisa de Íons Pesados, um dos principais laboratórios de pesquisa de aceleradores da Europa. Quando estiver on-line para experimentos iniciais de usuários em 2027, o FAIR fornecerá a cientistas de todo o mundo um complexo acelerador multifuncional construído para atender a uma ampla gama de pesquisas - tudo, desde física de hádrons, estrutura nuclear e astrofísica até física atômica e ciência de materiais. e biofísica da radiação (bem como aplicações posteriores na terapia do câncer e na ciência espacial).

A nível esquemático, o FAIR irá gerar feixes primários – desde protões até iões de urânio – bem como feixes secundários de antiprótons e isótopos raros. Como tal, a instalação do acelerador é otimizada para fornecer feixes intensos e energéticos de partículas para diferentes alvos de produção. Os feixes resultantes serão posteriormente direcionados para vários experimentos de alvo fixo ou injetados em anéis de armazenamento especializados para experimentos no anel com feixes de alta qualidade de antiprótons secundários ou íons radioativos.

Sustentando todo esse poder de fogo experimental estão os principais blocos de construção do FAIR: o síncrotron SIS100 de rápida rampa, que fornece feixes primários intensos; o Super Fragment Separator (Super-FRS), que filtra os feixes de íons exóticos; e os anéis de armazenamento (veja “Daqui até FAIR”, abaixo). Enquanto isso, os aceleradores GSI existentes (UNILAC e SIS18) servirão como injetores e pré-aceleradores para o SIS100, enquanto um novo linac de prótons fornecerá injeção de alta intensidade na cadeia síncrotron. Aqui, Holger Kollmus e Marion Kauschke – chefe e vice-chefe, respectivamente, do programa de criogenia GSI/FAIR – contam ao CERN Courier como a infraestrutura criogênica do laboratório e a experiência especializada em temperaturas ultrabaixas são fundamentais para a missão científica de longo prazo do FAIR.

HK: Embora a criogenia não tenha uma história extensa na GSI – apenas dois experimentos em grande escala implantaram ímãs supercondutores até o momento – a decisão estratégica de construir o FAIR colocou a tecnologia de temperatura ultrabaixa no centro do roteiro de desenvolvimento da GSI. Considere a necessidade de infraestrutura especializada para fornecer testes em escala dos ímãs supercondutores do FAIR. Um caso em questão é o Prototype Test Facility (PTF) que, entre 2005 e 2012, foi usado para avaliar cinco projetos magnéticos candidatos. Um desses protótipos, o chamado ímã do primeiro da série (FOS), foi posteriormente especificado para o anel SIS100 (110 ímãs dipolo no total, com dois sobressalentes).

Contudo, logo ficou claro que a única bancada de teste da PTF não era adequada para validar todos os ímãs dentro de um prazo razoável. Em vez disso, essa tarefa foi atribuída ao Series Test Facility (STF), que entrou em operação em 2013 com instalações e equipamentos criogênicos fornecidos pelo fabricante suíço Linde Kryotechnik. Baseado nas lições aprendidas no PTF, o STF maximizou o rendimento e a eficiência do fluxo de trabalho para testes em larga escala dos ímãs dipolo SIS100.

MK: O projeto e o layout personalizados do edifício são fundamentais, com um sistema deslizante para os ímãs supercondutores em teste, uma montagem sem fole e interfaces acessíveis entre a caixa de alimentação, o ímã e a caixa final. A caixa de alimentação e a caixa final envolvem o ímã supercondutor em ambos os lados para teste, com a primeira fornecendo adicionalmente ao ímã refrigerante de hélio líquido e corrente elétrica. O hélio líquido mantém o ímã a uma temperatura constante de 4,5 K, enquanto a blindagem (mantida entre 50–80 K) reduz qualquer aquecimento do ímã resfriado criogenicamente (a chamada “massa fria”).