Kryotechnik bei FAIR: Anpassungsfähigkeit ist Trumpf

Jul 23, 2023

Die Kryotechnik ist eine Kerntechnologie der im Bau befindlichen Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) in Deutschland. Joe McEntee spricht mit Holger Kollmus und Marion Kauschke – die gemeinsam das Kryotechnik-Programm bei FAIR leiten – über die Erfolgsgeheimnisse bei Ultratieftemperaturen.

Die Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) in Darmstadt, Deutschland, stellt eine ehrgeizige Neuinterpretation des GSI Helmholtz-Zentrums für Schwerionenforschung dar, einem der führenden Beschleunigerforschungslabore Europas. Wenn FAIR im Jahr 2027 für erste Benutzerexperimente online geht, wird es Wissenschaftlern auf der ganzen Welt einen Mehrzweck-Beschleunigerkomplex zur Verfügung stellen, der für ein breites Forschungsgebiet konzipiert ist – von Hadronenphysik, Kernstruktur und Astrophysik bis hin zu Atomphysik und Materialwissenschaften und Strahlenbiophysik (sowie nachgelagerte Anwendungen in der Krebstherapie und der Weltraumwissenschaft).

Auf der schematischen Ebene wird FAIR Primärstrahlen – von Protonen bis hin zu Uranionen – sowie Sekundärstrahlen von Antiprotonen und seltenen Isotopen erzeugen. Daher ist die Beschleunigeranlage darauf optimiert, intensive und energiereiche Teilchenstrahlen an verschiedene Produktionsziele zu liefern. Die resultierenden Strahlen werden anschließend zu verschiedenen Festzielexperimenten gelenkt oder in spezielle Speicherringe für In-Ring-Experimente mit hochwertigen Strahlen sekundärer Antiprotonen oder radioaktiver Ionen injiziert.

Die Grundlage all dieser experimentellen Feuerkraft sind die Hauptbausteine ​​von FAIR: das schnell hochfahrende SIS100-Synchrotron, das intensive Primärstrahlen liefert; der Super Fragment Separator (Super-FRS), der die exotischen Ionenstrahlen herausfiltert; und die Speicherringe (siehe „Von hier zu FAIR“ weiter unten). In der Zwischenzeit werden die bestehenden GSI-Beschleuniger (UNILAC und SIS18) als Injektoren und Vorbeschleuniger für SIS100 dienen, während ein neuer Protonen-Linearbeschleuniger für die hochintensive Injektion in die Synchrotronkette sorgen wird. Hier erklären Holger Kollmus und Marion Kauschke – Leiter bzw. stellvertretende Leiterin des GSI/FAIR-Kryogenikprogramms – CERN Courier, wie die kryogene Infrastruktur und das Fachwissen des Labors bei ultratiefen Temperaturen für die langfristige wissenschaftliche Mission von FAIR von grundlegender Bedeutung sind.

HK: Während die Kryotechnik bei GSI keine umfassende Hintergrundgeschichte hat – bisher wurden supraleitende Magnete nur bei zwei groß angelegten Experimenten eingesetzt –, rückte die strategische Entscheidung zum Bau von FAIR die Ultratieftemperaturtechnologie in den Mittelpunkt der Entwicklungs-Roadmap von GSI. Berücksichtigen Sie den Bedarf an einer speziellen Infrastruktur, um Tests der supraleitenden Magnete von FAIR im großen Maßstab durchzuführen. Ein typisches Beispiel ist die Prototype Test Facility (PTF), die zwischen 2005 und 2012 zur Bewertung von fünf möglichen Magnetdesigns genutzt wurde. Einer dieser Prototypen, der sogenannte First-of-Series-Magnet (FOS), wurde anschließend für den SIS100-Ring spezifiziert (insgesamt 110 Dipolmagnete, mit zwei Ersatzteilen).

Es wurde jedoch schnell klar, dass der einzelne Prüfstand des PTF nicht geeignet war, alle Magnete innerhalb eines angemessenen Zeitrahmens zu validieren. Stattdessen wurde diese Aufgabe der Series Test Facility (STF) übertragen, die 2013 mit kryogenen Anlagen und Geräten des Schweizer Herstellers Linde Kryotechnik in Betrieb genommen wurde. Basierend auf den Erkenntnissen aus dem PTF maximierte das STF den Durchsatz und die Effizienz des Arbeitsablaufs für groß angelegte Tests der SIS100-Dipolmagnete.

MK: Maßgeschneidertes Gebäudedesign und -layout sind der Schlüssel, mit einem Schiebesystem für die zu testenden supraleitenden Magnete, einer balgfreien Montage und zugänglichen Schnittstellen zwischen Zuführkasten, Magnet und Endkasten. Der Zuführkasten und der Endkasten umschließen den supraleitenden Magneten zu Testzwecken auf beiden Seiten, wobei ersterer den Magneten zusätzlich mit flüssigem Helium als Kühlmittel und elektrischem Strom versorgt. Das flüssige Helium hält den Magneten konstant auf 4,5 K, während die Abschirmung (zwischen 50 und 80 K gehalten) jegliche Erwärmung des kryogen gekühlten Magneten (der sogenannten „kalten Masse“) reduziert.

Gleichzeitig sind Kompressor und STF-Coldbox für das flüssige Helium räumlich getrennt in einem angrenzenden Gebäude untergebracht, wodurch Lärm und Vibrationen in der Testumgebung minimiert werden. Das kryogene Verteilungssystem ist auf einer Galerie installiert, um den Personalzugang zwischen den vier Prüfständen zu erleichtern, während die Kühlbox selbst eine Kühlleistung von 800 W bei 4–5 K, 2000 W bei 50–80 K und eine Verflüssigungskapazität von 6 hat g/s.

Alle SIS100-Dipole wurden inzwischen im STF getestet, wobei die vier Prüfstände der Anlage einen „Viertakt“-Betrieb ermöglichen. Vereinfacht gesagt: Auf einem Prüfstand wird der Magnet montiert; der zweite befindet sich im Cool-Down-Modus; der dritte ist kalt und der Magnet wird getestet; und der vierte ist im Aufwärmmodus. Dies führte dazu, dass jeder Magnet etwa einen Monat lang in der STF-Halle stand und jede Woche ein neuer Magnet geliefert wurde. Erwähnenswert ist auch, dass, wenn irgendwelche Magnete im Test ausgefallen wären – obwohl keiner der Fall war –, diese zum PTF gebracht worden wären, ohne die „Fließband“-Arbeit zu unterbrechen.

MK: Die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten bei PTF und STF sind noch lange nicht abgeschlossen. Ein Dipolmagnet wird im PTF einem Dauertest unterzogen, während das STF zum Testen von SIS100-Quadrupolmodulen sowie Prototypen anderer SIS100- und Super-FRS-Komponenten (z. B. der Transferleitungen, die zur Verteilung von flüssigem Helium aus Quellen- und Zufuhrkästen erforderlich sind) verwendet wird für SIS100 und Super-FRS). Wenn die Tests am STF abgeschlossen sind – voraussichtlich im Jahr 2028 – werden zwei der vier Prüfstände abgebaut und ein Teil der Halle für einen supraleitenden CW-Linac (der vom STF kryogen versorgt wird) umfunktioniert.

HK: Das ist richtig. Die Prüfung supraleitender Magnete erfordert technisches Personal mit Fachkenntnissen und Fachwissen zur Messung und Validierung magnetischer und elektrischer Eigenschaften. Bereitstellung der kryogenen Versorgung innerhalb bestimmter Temperatur-/Druckgrenzen; sowie den Magneten kalorimetrisch zu vermessen (zum Beispiel hinsichtlich seiner Wärmebelastung).

CERN ist als Pionier im Bereich supraleitender Magnete für die Hochenergiephysik einer unserer wichtigsten Technologiepartner. So werden die supraleitenden Magnete für das Super-FRS – Dipole und Multipletts – auf dem Weg von den Herstellern in Italien, Frankreich und Spanien nach Darmstadt einer Abnahmeprüfung am CERN unterzogen. Eine weitere gemeinsame Anstrengung konzentriert sich auf die kryogene Maschinensteuerung von FAIR und überträgt etablierte Lösungen zur Steuerung von Ventilen, Temperatur-/Drucksensoren und einer Reihe anderer Subsysteme mithilfe der CERN-Software UNICOS.

HK: Die Partnerschaft mit anderen Kryotechnik-Gruppen in ganz Europa untermauert unser Einsatzmodell. Die für die lokale Kryoverteilung zu den Magneten benötigte Ausrüstung wird beispielsweise durch eine Sachleistung der Breslauer Universität für Wissenschaft und Technologie (WUST) bereitgestellt – eine Anknüpfung an die Arbeit des polnischen Teams an anderen großen Kryotechnikprojekten, einschließlich der europäischen Spallation Quelle (ESS) in Schweden und der European XFEL hier in Deutschland. Ein weiterer strategischer F&E-Partner ist die Testanlage für große Magnet- und Supraleiteranlagen (TFML) in Salerno, Italien. Als Teil des Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) stehen die Kühlkapazität und die Testanlage des TFML für SIS100-Quadrupoltests zur Verfügung, wodurch bei GSI Testkapazitäten für andere kryogene Komponenten/Subsysteme wie Zufuhrkästen und Stromzuleitungskästen eröffnet werden. Letztere ermöglichen den Warm-Kalt-Übergang des elektrischen Stroms auf dem Weg vom „warmen“ Stromrichter zu den „kalten“ Magneten.

HK: Der SIS100 und der Super-FRS sind die Hauptverbraucher in Bezug auf die kryogene Kühlkapazität von FAIR – jeweils mit einer Kaltverbindung zu einer einzigen großen Kühlanlage namens CRYO2. Der SIS100 (mit einem Umfang von 1100 m) zeichnet sich durch hohe dynamische Lastwechsel mit einer Dauer von mehreren Stunden aus. Was das Design betrifft, besteht der Ring aus einer Anordnung von Dipol- und Quadrupolmagneten in einer Konfiguration, die ein intern gekühltes supraleitendes Kabel nutzt (wobei die supraleitenden Stränge mit zweiphasigem Helium gekühlt werden).

Im Betrieb müssen die SIS100-Magnete während der Beschleunigung der schweren Ionen hochgefahren werden, wobei die Rampe und die Wiederholungsrate an die Ionen und den Versuchsaufbau angepasst werden müssen, um unterschiedliche Wärmelasten auf dem 4-K-Niveau zu erzielen. Der Wechsel zwischen diesen verschiedenen Zyklen sollte so kurz wie möglich sein (in der Größenordnung von weniger als einer Stunde), wobei die Steuerung des Versorgungsdrucks unterschiedliche Heliumflüsse für die Magnetkühlung induziert.

Mittlerweile wird das Super-FRS (mit einer Länge von 350 m) 1500 Tonnen kalte Masse enthalten, die in einem realistischen Zeitrahmen (typischerweise ein Monat) abgekühlt werden muss. Eine spezielle Abkühl- und Aufwärmeinheit (CWU), die flüssigen Stickstoff als Kühlmittel für einen Heliumkreislauf verwendet, ist in dieser Hinsicht von zentraler Bedeutung und erfüllt die Super-FRS-Anforderungen hinsichtlich maximaler Abkühlraten und Temperaturunterschiede.

MK: Das Hauptgebäude für die Kryoversorgung von FAIR besteht aus zwei unabhängigen Hallen, die jeweils über eigene Fundamente verfügen. Die vordere Halle – in der sich die Kühlbox, die Verteilungsleitungen und das kryogene Gasmanagement befinden – ist über Säulen und eine Anordnung, die jede Bewegung der Transferleitung, die SIS100 mit überkritischem Helium versorgt, verhindert, mit dem SIS100-Tunnel verbunden. Der hintere Bereich hingegen – in dem sich die Kompressorstation befindet – steht auf einem „schwimmenden Fundament“ und ist im Wesentlichen von der Cold-Box-Halle entkoppelt, um die Auswirkungen eventuell auftretender Bodenvibrationen auf den SIS100-Ring zu minimieren.

Die zentrale Kryoanlage von FAIR, CRYO2, ist bereits installiert und wird eine kryogene Kapazität von 14 kW bei 4–5 K und 50 kW bei 50–80 K bereitstellen. Diese Leistungszahlen werden letztendlich einen parallelen und unabhängigen Betrieb aller wichtigsten kryogenen Verbraucher von FAIR ermöglichen – B. die unterschiedlichen Wärmelasten von SIS100 (für den Betrieb verschiedener Maschinenzyklen) bedienen und gleichzeitig die große Kältemasse des Super-FRS (und seine Verflüssigungsanforderungen) berücksichtigen. Campusweit wird das kalte Helium über ein 1,5 km langes Verteilersystem zu den FAIR-Maschinen transportiert, dessen Installation bereits in vollem Gange ist.

Das Herzstück von CRYO2 ist ein Heliumkühler in Kombination mit ölgekühlten Schraubenkompressoren. Um die Anpassung an Lastwechsel langfristig zu optimieren, wird der Kühlmittelmassenstrom über einen frequenzvariablen Treiber für die Kompressoren nahezu stufenlos geregelt. Die Kompressorstation selbst ist aus fünf Kompressor-Skids aufgebaut, die jeweils über ein eigenes Ölsystem und eine grobe Trennung von mehr als 99 % des Öls aus dem Prozessgas verfügen. Der Rest des Öls wird auf der Hochdruckseite abgeschieden, bevor das Gas in die Coldbox gelangt. Da die CWU unabhängig von der CRYO2-Anlage arbeitet, verfügt dieser Kompressor über ein eigenes Ölentfernungssystem.

Da auch eine Vielzahl anderer Designprobleme eine Rolle spielen, ist Anpassungsfähigkeit von entscheidender Bedeutung. Da FAIR in einem bewaldeten Erholungsgebiet für benachbarte Gemeinden liegt, ist die Höhe der Heliumlagertanks auf die Höhe eines durchschnittlichen Baums in der Nähe begrenzt. Auf die gleiche Weise werden sich die Kryogebäude von FAIR nahtlos in ihre Umgebung integrieren – zum Beispiel durch den Einsatz von Dachbegrünung und einem fensterlosen Design, um Lichtverschmutzung zu vermeiden. Auch die Energieeffizienz steht im Vordergrund: Die beim kryogenen Kompressionsprozess entstehende Wärme soll zurückgewonnen und zum Heizen in anderen Teilen der FAIR-Anlage genutzt werden, während die aktive Lärmminderung der Klimaanlagen die Belästigung von Wildtieren minimiert.

HK: Die Installation der Kryo-Versorgungsinfrastruktur im Kryo-Gebäude wird in diesem Herbst abgeschlossen sein, wobei die unterstützende Infrastruktur – einschließlich der Stromversorgung und des Kühlwassers – vor Frühjahr 2025 fertiggestellt sein soll. Die Inbetriebnahme des gesamten Kryo-Versorgungssystems ist für geplant bis Ende 2025 abgeschlossen sein, die ersten Experimente bei FAIR mit supraleitender Technologie sollen 2027 folgen.