Kryomoduler är viktiga komponenter för det amerikanska energidepartementets Fermi National Accelerator Laboratorys acceleratorkomplexuppgradering, känd som Proton Improvement Plan II eller PIP-II.

PIP-II har en helt ny, 800-miljoner-elektronvolt ledande supraledande radiofrekvens linjär accelerator, eller linac för kort, som kommer att göra det möjligt för Fermilab att producera mer än 1 megawatt stråleffekt, 60 % högre än nuvarande kapacitet. För att uppnå denna banbrytande bedrift kommer linacen att bestå av kryomoduler, som är kärl som innehåller niobhåligheter.

Den första partikelacceleratorn på amerikansk mark byggd med betydande bidrag från internationella partners, PIP-II kommer att få tre sammansatta kryomoduler från partners vid Science and Technology Facilities Council i Storbritannien och nio sammansatta kryomoduler från Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives, eller CEA, i Frankrike.

Att säkert transportera dessa känsliga och dyra sammansatta komponenter till Fermilab kommer att vara en stor utmaning för PIP-II-teamet. Baserat på en nyligen genomförd erfarenhet där en kryomodul för ett annat experiment skadades under transporten, vidtar teamet extra försiktighetsåtgärder för att säkerställa säker transport av PIP-II:s kryomoduler, inklusive omfattande tester av transportsystemet.

Det första steget var att designa, bygga och testa en transportram som kommer att hålla och skydda kryomodulerna. Medan PIP-II-samarbetspartners på STFC – och senare CEA – så småningom kommer att designa och bygga sin egen ram, byggdes en prototyp av STFC-ramen på Fermilab där den kommer att användas för att skicka en dummy-last och prototyp av kryomoduler. Denna design och validering är en laginsats mellan de tre labben, med resultaten och lärdomarna som påverkar designen av de slutliga fraktramar som kommer att transportera produktionskryomodulerna från STFC och CEA till Fermilab.

"Hela projektet fungerar som ett för att [nå] ett tillvägagångssätt för transport", säger Jeremiah Holzbauer, en Fermilab-forskare vid PIP-II Technical Integration Office. "Vi lär oss alla genom den här första processen tillsammans."

Mitchell Kane, en mekanisk projektingenjör på STFC, designade testramen i nära samarbete med Fermilab, som sedan anlitade ett amerikanskt företag för att bygga ramen.

Den svåraste delen av processen, sa Kane, var att det ännu inte finns en färdig design för kryomodulen som ramen så småningom kommer att hålla. "Du måste ha lite flexibilitet i designen. Med flexibilitet finns det osäkerhet", sa Kane.

Fermilab-teamet tillverkade en dummylast för att vara en kopia av kryomodulen – i huvudsak betongblock med dimensionerna, vikten och monteringspunkterna för kryomodulen. De demonstrerade sedan den komplexa installationen av dummylasten i testramen och förberedde den för transporttester.

"Vi kunde faktiskt ha en ganska felfri första gången vi satte upp den här grejen", säger Ryan Thiede, teknisk specialist för montering av kryomoduler. "Det blev ganska bra. Allt stämde. Vi hade väldigt få problem, och det verkade som att alla var ganska imponerade av den första genomgången av installationen."

Kane besökte Fermilab i slutet av april för att övervaka rammonteringen och dummybelastningstestet. "På grund av covid och allt, hade jag inte sett något fysiskt på två och ett halvt år. Så att faktiskt gå dit och se min design personligen och att det faktiskt gick ihop utan problem var förmodligen det bästa [delen] av denna erfarenhet],” sa han.

Den 25 april genomgick testramen ett tre timmar långt motorvägstest för att kontrollera prestandan hos isoleringssystemet, som är designat för att dämpa kryomodulens åktur. "Det gick extremt smidigt. Designen är ganska bra", sa Holzbauer.

I sommar kommer testramen som håller dummylasten att skickas till Storbritannien där STFC-tekniker tar isär den, sätter ihop den igen och skickar tillbaka den till Fermilab. Denna process kommer också att kontrollera transportlogistiken, såsom tullinspektioner och lastning av flygplan.

"Om det går framgångsrikt är transportsystemet verifierat", sa Holzbauer.

Därefter kommer PIP-II att använda ramen för att skicka en prototyp av kryomodul till Storbritannien, vilket för närvarande är planerat till slutet av detta år. Väl där kommer PIP-II-partners på STFC att ladda ur prototypen av kryomodulen och ta den genom instrumentering och vakuumkontroller innan de skickas tillbaka till Fermilab.

"När den väl har skickats tillbaka till oss kommer vi att testa den igen och se till att den fortfarande fungerar lika bra som den gjorde", säger Holzbauer. "Det är det ultimata beviset på att vi kan skicka kryomoduler. Och det är i grunden kärndemonstrationen [att] vi kan skicka alla våra kryomoduler."

Slutligen, om några år kommer STFC att skicka produktionskryomodulerna i sin egen förfinade version av fraktramen till Fermilab för konstruktion av PIP-II. Kane sa att de redan har noterat några små justeringar i designen som de kommer att göra på den brittiska ramen.

Sedan, 2025, är det CEA:s tur att använda sin egen transportram. När produktionen väl börjar, planerar de franska samarbetspartnerna att skicka kryomoduler till Fermilab i en takt av en per månad.

Robin Cubizolles, ingenjör vid CEA och en PIP-II-delprojektkoordinator för kryomoduler och transport, observerade procedurerna för montering och design av denna testram och sa att han lärde sig mycket att han kommer att informera CEA:s transportsystem.

"Jag vill tacka Fermilab för det goda samarbetet. [Det finns] mycket transparens i alla aspekter", sa Cubizolles. "För mig är det mitt första projekt med den här typen av [samarbetsarrangemang], och det är verkligen trevligt att se det."

För närvarande är testramen ett exempel på ett framgångsrikt samarbete mellan ett internationellt team – förhoppningsvis en av många framgångar för PIP-II.

"När jag arbetar mellan det tekniska teamet här som jag själv, instrumenteringspersonalen här och partnerna både på CEA och STFC, tycker jag att vi gjorde många mycket bra designförändringar i förplaneringsstadiet", säger Holzbauer. "Vi fick många av våra procedurer riktigt i linje, verkligen granskade, och alla specifikationer var väldigt rena. De hjälpte oss med leverantörskontroll. Och så att allt byggdes upp till idag, när vi alla kom ihop riktigt smidigt, riktigt rent, mycket säkert, och allt gick precis som vi ville ha det." + Utforska vidare

Accelerator gör terrängvandring för att möjliggöra laseruppgradering