La criogenia in FIERA: la chiave è l'adattabilità

Jul 23, 2023

La criogenia è una tecnologia abilitante fondamentale nel Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR), che è in costruzione in Germania. Joe McEntee parla con Holger Kollmus e Marion Kauschke – che insieme dirigono il programma di criogenia della FAIR – dei segreti del successo a temperature ultrabasse.

La Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) a Darmstadt, in Germania, rappresenta un'ambiziosa rivisitazione del Centro GSI Helmholtz per la ricerca sugli ioni pesanti, uno dei principali laboratori di ricerca sugli acceleratori in Europa. Quando sarà online per i primi esperimenti sugli utenti nel 2027, FAIR fornirà agli scienziati di tutto il mondo un complesso di acceleratori multiuso costruito per affrontare un campo di ricerca ad ampio raggio: dalla fisica degli adroni, alla struttura nucleare e all'astrofisica, alla fisica atomica, alla scienza dei materiali. e biofisica delle radiazioni (nonché applicazioni a valle nella terapia del cancro e nella scienza spaziale).

A livello schematico, FAIR genererà fasci primari – dai protoni fino agli ioni di uranio – nonché fasci secondari di antiprotoni e isotopi rari. Pertanto, la struttura dell’acceleratore è ottimizzata per fornire fasci di particelle intensi ed energetici a diversi target di produzione. I fasci risultanti verranno successivamente indirizzati verso vari esperimenti a bersaglio fisso o iniettati in anelli di stoccaggio specializzati per esperimenti all'interno dell'anello con fasci di alta qualità di antiprotoni secondari o ioni radioattivi.

Alla base di tutta questa potenza di fuoco sperimentale ci sono i principali elementi costitutivi di FAIR: il sincrotrone SIS100 a rampa rapida, che fornisce intensi fasci primari; il Super Fragment Separator (Super-FRS), che filtra i fasci ionici esotici; e gli anelli di accumulo (vedi “Da qui a FAIR”, sotto). Nel frattempo, gli acceleratori GSI esistenti (UNILAC e SIS18) fungeranno da iniettori e preacceleratori per SIS100, mentre un nuovo linac protonico fornirà un’iniezione ad alta intensità nella catena del sincrotrone. Qui Holger Kollmus e Marion Kauschke – rispettivamente capo e vice capo del programma criogenico GSI/FAIR – raccontano al CERN Courier come l'infrastruttura criogenica del laboratorio e la competenza specialistica a temperature ultrabasse siano fondamentali per la missione scientifica a lungo termine di FAIR.

HK: Sebbene la criogenia non abbia una lunga storia alle spalle presso GSI – solo due esperimenti su larga scala hanno utilizzato magneti superconduttori fino ad oggi – la decisione strategica di costruire FAIR ha posto la tecnologia a temperatura ultrabassa al centro della tabella di marcia di sviluppo di GSI. Considerare la necessità di infrastrutture specializzate per fornire test su larga scala dei magneti superconduttori di FAIR. Un esempio calzante è il Prototype Test Facility (PTF) che, tra il 2005 e il 2012, è stato utilizzato per valutare cinque progetti di magneti candidati. Uno di questi prototipi, il cosiddetto magnete first-of-serie (FOS), è stato successivamente specificato per l'anello SIS100 (110 magneti dipolari in totale, con due di riserva).

Ben presto, tuttavia, divenne chiaro che l'unico banco di prova della PTF non era adatto allo scopo per convalidare tutti i magneti entro un lasso di tempo ragionevole. Invece, questo compito è stato assegnato al Series Test Facility (STF), entrato in funzione nel 2013 con impianti e attrezzature criogenici forniti dal produttore svizzero Linde Kryotechnik. Sulla base delle lezioni apprese sul PTF, l'STF ha massimizzato la produttività e l'efficienza del flusso di lavoro per i test su larga scala dei magneti dipolari SIS100.

MK: La progettazione e il layout personalizzati dell'edificio sono fondamentali, con un sistema di scorrimento per i magneti superconduttori in prova, un montaggio senza soffietto e interfacce accessibili tra la scatola di alimentazione, il magnete e la scatola terminale. La scatola di alimentazione e la scatola terminale racchiudono il magnete superconduttore su entrambi i lati per i test, mentre la prima fornisce inoltre al magnete refrigerante elio liquido e corrente elettrica. L'elio liquido mantiene il magnete a una temperatura costante di 4,5 K, mentre la schermatura (mantenuta tra 50 e 80 K) riduce l'eventuale riscaldamento del magnete raffreddato criogenicamente (la cosiddetta "massa fredda").