Los criomódulos son componentes esenciales para la actualización del complejo acelerador del Fermi National Accelerator Laboratory del Departamento de Energía de EE. UU., conocida como Proton Improvement Plan II o PIP-II.

PIP-II cuenta con un nuevo acelerador lineal de radiofrecuencia superconductor de vanguardia de 800 millones de electronvoltios, o linac para abreviar, que permitirá a Fermilab producir más de 1 megavatio de potencia de haz, un 60% más que las capacidades actuales. Para lograr esta hazaña revolucionaria, el acelerador lineal estará compuesto por criomódulos, que son recipientes que contienen cavidades de niobio.

El primer acelerador de partículas en suelo estadounidense construido con contribuciones significativas de socios internacionales, PIP-II recibirá tres criomódulos ensamblados de socios en el Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología en el Reino Unido y nueve criomódulos ensamblados de Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternativas, o CEA, en Francia.

El transporte seguro de estos componentes ensamblados delicados y costosos a Fermilab será un gran desafío para el equipo de PIP-II. En base a una experiencia reciente en la que se dañó un módulo criogénico para otro experimento durante el tránsito, el equipo está tomando precauciones adicionales para garantizar el transporte seguro de los módulos criogénicos de PIP-II, incluidas pruebas exhaustivas del sistema de transporte.

El primer paso fue diseñar, construir y probar un marco de transporte que sujetará y protegerá los criomódulos. Si bien los colaboradores de PIP-II en STFC, y más tarde, CEA, eventualmente diseñarán y construirán su propio marco, se construyó un prototipo del marco STFC en Fermilab, donde se usará para enviar una carga ficticia y prototipos de criomódulos. Este diseño y validación son un esfuerzo de equipo entre los tres laboratorios, y los resultados y las lecciones aprendidas influyen en el diseño de los marcos de envío finales que transportarán los criomódulos de producción desde STFC y CEA hasta Fermilab.

"Todo el proyecto funciona como uno para [lograr] un enfoque para el transporte", dijo Jeremiah Holzbauer, científico de Fermilab en la Oficina de Integración Técnica de PIP-II. "Todos estamos aprendiendo a través de este primer proceso juntos".

Mitchell Kane, ingeniero de proyectos mecánicos en STFC, diseñó el marco de prueba en estrecha colaboración con Fermilab, quien luego contrató a una empresa estadounidense para construir el marco.

La parte más difícil del proceso, dijo Kane, fue que aún no hay un diseño finalizado para el criomódulo que eventualmente sostendrá el marco. "Tienes que tener cierta flexibilidad en el diseño. Con flexibilidad, hay incertidumbre", dijo Kane.

El equipo de Fermilab fabricó una carga ficticia para que fuera una réplica del criomódulo; básicamente, bloques de hormigón con las dimensiones, el peso y los puntos de montaje del criomódulo. Luego demostraron la compleja instalación de la carga ficticia en el marco de prueba y la prepararon para las pruebas de transporte.

"Pudimos tener una primera vez bastante impecable para configurar esto", dijo Ryan Thiede, especialista técnico para el ensamblaje de criomódulos. "Resultó bastante bien. Todo se alineó. Tuvimos muy pocos problemas y parecía que todos estaban muy impresionados con la primera vuelta de la configuración".

Kane visitó Fermilab a fines de abril para supervisar el ensamblaje del marco y la prueba de carga ficticia. "Debido a COVID y todo, no había visto nada físicamente durante dos años y medio. Así que ir allí y ver mi diseño en persona y realmente [ir] juntos sin ningún problema fue probablemente la mejor [parte de esta experiencia]", dijo.

El 25 de abril, el marco de prueba soportó una prueba en carretera de tres horas para comprobar el rendimiento del sistema de aislamiento, que está diseñado para amortiguar el desplazamiento del criomódulo. "Fue extremadamente fluido. El diseño es bastante bueno", dijo Holzbauer.

Este verano, el marco de prueba que sostiene la carga ficticia se enviará al Reino Unido, donde los técnicos de STFC lo desmontarán, lo volverán a armar y lo enviarán de vuelta a Fermilab. Este proceso también verificará la logística del transporte, como las inspecciones aduaneras y la carga de aviones.

"Si eso sale bien, se verifica el sistema de transporte", dijo Holzbauer.

A continuación, PIP-II utilizará el marco para enviar un prototipo de criomódulo al Reino Unido, que actualmente está previsto para finales de este año. Una vez allí, los socios de PIP-II en STFC descargarán el prototipo de criomódulo y lo someterán a pruebas de instrumentación y vacío antes de enviarlo de vuelta a Fermilab.

"Una vez que nos lo devuelvan, lo probaremos nuevamente y nos aseguraremos de que realmente siga funcionando tan bien como lo hizo", dijo Holzbauer. "Esa es la prueba definitiva de que podemos enviar criomódulos. Y esa es básicamente la demostración central [de que] podemos enviar todos nuestros criomódulos".

Finalmente, dentro de unos años, el STFC enviará los criomódulos de producción en su propia versión refinada del marco de envío a Fermilab para la construcción de PIP-II. Kane dijo que ya notaron algunos pequeños ajustes en el diseño que le harán al marco del Reino Unido.

Luego, en 2025, será el turno de CEA de poner en uso su propio marco de transporte. Una vez que comience la producción, los colaboradores franceses planean enviar criomódulos a Fermilab a un ritmo de uno por mes.

Robin Cubizolles, ingeniero de CEA y coordinador del subproyecto PIP-II para criomódulos y transporte, observó los procedimientos para el montaje y diseño de este marco de prueba y dijo que aprendió mucho que informará al sistema de transporte de CEA.

"Quiero agradecer a Fermilab por la buena colaboración. [Hay] mucha transparencia en todos los aspectos", dijo Cubizolles. "Para mí, es mi primer proyecto con este tipo de [acuerdo de trabajo colaborativo], y es muy agradable ver eso".

Por ahora, el ensamblaje del marco de prueba es un ejemplo de la colaboración exitosa de un equipo internacional, con suerte, uno de los muchos triunfos por venir para PIP-II.

"Trabajando entre el equipo técnico aquí como yo, la gente de instrumentación aquí y los socios tanto en CEA como en STFC, creo que hicimos muchos cambios de diseño muy buenos en la etapa de planificación previa", dijo Holzbauer. "Tuvimos muchos de nuestros procedimientos realmente en línea, realmente examinados, y todas las especificaciones estaban muy limpias. Nos ayudaron con la supervisión de los proveedores. Y así todo se desarrolló hasta hoy, cuando todos nos reunimos sin problemas, realmente limpios, muy segura, y todo salió exactamente como lo queríamos". + Explora más

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