FAIR における極低温工学: 適応性が鍵

Jul 23, 2023

極低温技術は、ドイツで建設中の反陽子・イオン研究施設 (FAIR) を実現する中核技術です。 ジョー・マッケンティー氏が、FAIR で極低温プログラムを共同で率いるホルガー・コルムス氏とマリオン・カウシュケ氏に、超低温での成功の秘密について語ります。

ドイツのダルムシュタットにある反陽子・イオン研究施設 (FAIR) は、ヨーロッパ有数の加速器研究研究所の 1 つである GSI ヘルムホルツ重イオン研究センターの野心的な再構築を表しています。 2027 年に最初のユーザー実験がオンラインになると、FAIR は世界中の科学者に、ハドロン物理学、核構造、天体物理学から原子物理学、材料科学に至るまで、広範な研究キャンバスに取り組むために構築された多目的加速器複合体を提供することになります。放射線生物物理学（および癌治療や宇宙科学における下流の応用）。

回路図レベルでは、FAIR は陽子からウランイオンまでの一次ビームと、反陽子や希少同位体の二次ビームを生成します。 そのため、加速器施設は、強力でエネルギーの高い粒子ビームをさまざまな生産ターゲットに届けるように最適化されています。 得られたビームはその後、さまざまな固定標的実験に導かれるか、二次反陽子や放射性イオンの高品質ビームを用いたリング内実験のために専門の蓄積リングに注入されます。

このすべての実験的火力を支えているのは、FAIR の主要な構成要素です。それは、強力な一次ビームを提供する高速ランプ SIS100 シンクロトロンです。 スーパー フラグメント セパレーター (Super-FRS)。エキゾチック イオン ビームを除去します。 そしてストレージリングが鳴ります（以下の「ここからFAIRまで」を参照）。 一方、既存のGSI加速器（UNILACおよびSIS18）はSIS100の入射器および前置加速器として機能し、新しい陽子線形加速器はシンクロトロンチェーンへの高強度入射を提供します。 ここで、GSI/FAIR極低温プログラムの責任者であるホルガー・コルムス氏と副責任者であるマリオン・カウシュケ氏が、研究室の極低温インフラと超低温での専門知識がFAIRの長期的な科学的使命の基礎であることをCERNクーリエに語った。

HK: GSI では極低温技術について広範な裏話はありませんが、これまでに超電導磁石を導入した大規模実験は 2 件だけです。FAIR を構築するという戦略的決定により、超低温技術が GSI の開発ロードマップの中心に据えられました。 FAIR の超電導磁石の大規模試験を提供するための専門インフラの要件を考えてみましょう。 その好例は、2005 年から 2012 年の間に 5 つの候補磁石設計を評価するために使用されたプロトタイプ テスト施設 (PTF) です。 これらのプロトタイプの 1 つである、いわゆる First-of-Series (FOS) 磁石は、その後、SIS100 リング用に仕様化されました (合計 110 個の双極子磁石、予備が 2 個)。

しかし、PTF の単一のテストスタンドでは、妥当な期間内にすべての磁石を検証するという目的に適していないことがすぐに明らかになりました。 代わりに、その任務はシリーズ テスト施設 (STF) に割り当てられました。STF は、スイスのメーカーである Linde Kryotechnik が提供する極低温プラントと装置を備えて 2013 年に稼動しました。 PTF で学んだ教訓に基づいて、STF は SIS100 双極子磁石の大規模テストのスループットとワークフロー効率を最大化しました。

MK: テスト対象の超電導磁石用のスライド システム、ベローズのない取り付け、フィード ボックス、磁石、エンド ボックス間のアクセス可能なインターフェイスを備えたカスタムの建物の設計とレイアウトが重要です。 フィードボックスとエンドボックスは試験用に超電導磁石を両側から囲み、前者はさらに磁石に液体ヘリウム冷却剤と電流を供給します。 液体ヘリウムは磁石を一定の 4.5 K に保ち、シールド (50 ～ 80 K の間に維持) が極低温に冷却された磁石 (いわゆる「コールドマス」) の加熱を軽減します。