I criomoduli sono componenti essenziali per l'aggiornamento del complesso dell'acceleratore del Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, noto come Proton Improvement Plan II o PIP-II.

PIP-II è dotato di un nuovissimo acceleratore lineare a radiofrequenza superconduttore da 800 milioni di elettronvolt, o in breve linac, che consentirà al Fermilab di produrre più di 1 megawatt di potenza del fascio, il 60% in più rispetto alle capacità attuali. Per raggiungere questa impresa rivoluzionaria, il linac sarà costituito da criomoduli, che sono vasi contenenti cavità di niobio.

Il primo acceleratore di particelle sul suolo statunitense costruito con contributi significativi di partner internazionali, PIP-II riceverà tre criomoduli assemblati dai partner del Science and Technology Facilities Council nel Regno Unito e nove criomoduli assemblati dal Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternative, o CEA, in Francia.

Il trasporto sicuro di questi componenti assemblati delicati e costosi al Fermilab sarà una sfida importante per il team PIP-II. Sulla base di una recente esperienza in cui un criomodulo per un altro esperimento è stato danneggiato durante il trasporto, il team sta adottando ulteriori precauzioni per garantire il trasporto sicuro dei criomoduli di PIP-II, compresi test approfonditi del sistema di trasporto.

Il primo passo è stato progettare, costruire e testare un telaio di trasporto che contenesse e proteggesse i criomoduli. Mentre i collaboratori PIP-II presso STFC, e successivamente CEA, alla fine progetteranno e costruiranno il proprio telaio, al Fermilab è stato costruito un prototipo del telaio STFC, dove verrà utilizzato per spedire un carico fittizio e prototipi di criomoduli. Questa progettazione e convalida sono un lavoro di squadra tra i tre laboratori, con i risultati e le lezioni apprese che influenzano la progettazione dei telai di spedizione finali che trasporteranno i criomoduli di produzione da STFC e CEA al Fermilab.

"L'intero progetto sta lavorando insieme per [raggiungere] un approccio per i trasporti", ha affermato Jeremiah Holzbauer, uno scienziato del Fermilab presso l'Ufficio di integrazione tecnica del PIP-II. "Stiamo tutti imparando attraverso questo primo processo insieme."

Mitchell Kane, un progettista meccanico presso STFC, ha progettato il telaio di prova in stretta collaborazione con il Fermilab, che ha poi assunto un'azienda statunitense per costruire il telaio.

La parte più difficile del processo, ha detto Kane, è stata che non esiste ancora un progetto definitivo per il criomodulo che alla fine il telaio conterrà. "Devi avere una certa flessibilità nel design. Con la flessibilità, c'è incertezza", ha affermato Kane.

Il team del Fermilab ha fabbricato un carico fittizio per essere una replica del criomodulo, essenzialmente blocchi di cemento con le dimensioni, il peso e i punti di montaggio del criomodulo. Hanno quindi dimostrato la complessa installazione del carico fittizio nel telaio di prova e l'hanno preparato per le prove di trasporto.

"Siamo stati in grado di avere davvero una prima volta abbastanza impeccabile nell'installazione di questa cosa", ha affermato Ryan Thiede, specialista tecnico per l'assemblaggio di criomoduli. "È andata abbastanza bene. Tutto è stato allineato. Abbiamo avuto pochissimi problemi e sembrava che tutti fossero rimasti piuttosto colpiti dal primo giro dell'installazione."

Kane ha visitato il Fermilab alla fine di aprile per supervisionare l'assemblaggio del telaio e il test di carico fittizio. "A causa di COVID e tutto il resto, non vedevo niente fisicamente da due anni e mezzo. Quindi in realtà andare lì e vedere il mio progetto di persona e in realtà [andare] insieme senza problemi è stata probabilmente la parte migliore [parte di questa esperienza]", ha affermato.

Il 25 aprile, il telaio di prova ha superato un test su strada di tre ore per verificare le prestazioni del sistema di isolamento, progettato per attutire la corsa del criomodulo. "È andato molto bene. Il design è abbastanza buono", ha affermato Holzbauer.

Quest'estate, il telaio di prova contenente il carico fittizio sarà spedito nel Regno Unito, dove i tecnici STFC lo smonteranno, lo rimetteranno insieme e lo rispediranno al Fermilab. Questo processo controllerà anche la logistica del trasporto, come le ispezioni doganali e il carico degli aerei.

"Se ciò va a buon fine, il sistema di trasporto viene verificato", ha affermato Holzbauer.

Successivamente, PIP-II utilizzerà il telaio per spedire un prototipo di criomodulo nel Regno Unito, che è attualmente previsto per la fine di quest'anno. Una volta lì, i partner PIP-II presso STFC scaricheranno il prototipo di criomodulo e lo porteranno attraverso la strumentazione e i controlli del vuoto prima di rispedirlo al Fermilab.

"Una volta che ci sarà rispedito, lo testeremo di nuovo e ci assicureremo che funzioni ancora bene come ha fatto", ha affermato Holzbauer. "Questa è la prova definitiva che possiamo spedire criomoduli. E questa fondamentalmente è la dimostrazione fondamentale [che] possiamo spedire tutti i nostri criomoduli".

Infine, tra qualche anno, l'STFC spedirà i criomoduli di produzione nella loro versione perfezionata del frame di spedizione al Fermilab per la costruzione di PIP-II. Kane ha affermato di aver già notato alcune piccole modifiche al design che apporteranno al telaio del Regno Unito.

Quindi, nel 2025, sarà il turno di CEA di utilizzare la propria struttura di trasporto. Una volta iniziata la produzione, i collaboratori francesi prevedono di spedire i criomoduli al Fermilab al ritmo di uno al mese.

Robin Cubizolles, ingegnere presso CEA e coordinatore del sottoprogetto PIP-II per criomoduli e trasporto, ha osservato le procedure per l'assemblaggio e la progettazione di questo telaio di prova e ha affermato di aver imparato molto che informerà il sistema di trasporto CEA.

"Voglio ringraziare il Fermilab per la buona collaborazione. [C'è] molta trasparenza in ogni aspetto", ha affermato Cubibolles. "Per me, è il mio primo progetto con questo tipo di [accordo di lavoro collaborativo], ed è davvero bello vederlo."

Per ora, l'assemblaggio del telaio di prova è un esempio della collaborazione di successo di un team internazionale:si spera, uno dei tanti trionfi in arrivo per PIP-II.

"Lavorando tra il team tecnico qui come me, il personale della strumentazione qui e i partner sia di CEA che STFC, penso che abbiamo apportato molte buone modifiche al design nella fase di pre-pianificazione", ha affermato Holzbauer. "Abbiamo messo a punto molte delle nostre procedure, davvero controllate e tutte le specifiche erano molto pulite. Ci hanno aiutato con la supervisione dei fornitori. E così tutto è arrivato fino ad oggi, quando ci siamo riuniti tutti senza intoppi, davvero puliti, in tutta sicurezza, ed è andato tutto esattamente come volevamo". + Esplora ulteriormente

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