Cristian Boffo, director del proyecto del proyecto PIP-II de Fermilab, analiza el progreso realizado hasta ahora en la principal actualización de Fermilab al complejo Acelerator, y lo que esto significa para futuros descubrimientos.
Establecido durante décadas de nuevo descubrimiento, el Plan de mejora de protones II (PIP-II) es una actualización esencial al complejo acelerador del Laboratorio Nacional de Acelerador de Fermi (Fermilab) en Illinois, EE. UU. El PIP-II es un viaje de Illinois a un detector lejano en el experimento de neutrinos subterráneos profundos (dunas de arena) en Dakota del Sur, con una distancia de 1.300 km (800 millas) en el haz de neutrinos de alta energía más intenso del mundo. Además, la actualización del complejo Accelerator existente permite una amplia gama de programas de investigación de física, abriendo una amplia gama de posibilidades experimentales que anteriormente eran inalcanzables.
Desde que comenzó la construcción en 2022, el proyecto ya ha asegurado muchos resultados importantes. Actualmente estamos listos para comenzar el ensamblaje de nuestro criomódulo de preproducción SSR2 (resonador de un solo radio 2) en Fermilab. Al mismo tiempo, los colaboradores británicos y franceses reunirán dos tipos de polarización congelada: el HB650 y el LB650. El nuevo acelerador lineal consta de un total de 23 módulos de congelación que usan cinco módulos CRY diferentes y alimentan el haz.
El editor Georgie Purcell discutió más detalles sobre el proyecto, los resultados pasados y los próximos pasos para el director del proyecto PIP-II, Cristian Boffo.
Por favor, cuéntame más sobre los antecedentes de PIP-II.
El PIP-II es una actualización sustancial a la instalación de aceleración de Fermilab. Las personas generalmente llaman al PIP-II un nuevo acelerador lineal (LINAC) que reemplaza los existentes construidos en la década de 1960. De hecho, parte del proyecto es más que eso, ya que también es una actualización a un complejo acelerador existente que consiste en refuerzos, inyectores principales y reciclaje. Se han construido nuevos aceleradores lineales que emplean nuevas tecnologías para superconducir la cavidad de radiofrecuencia (SRF), y también han actualizado el sistema completo.
El objetivo principal del PIP-II es tener un mejor sistema de inyección que pueda producir rayos de protones de más de 1 megavatio. Un componente clave de los experimentos de neutrinos subterráneos profundos, PIP-II alimenta un haz que permite el fuego de neutrinos desde Fermilab, Illinois, hasta la larga instalación de neutrinos de línea de base (LBNF) que actualmente se está construyendo en el Servicio de Investigación de Metro de Sanford en Dakota del Sur. Dune es el proyecto más grande en el programa de física de alta energía de la Agencia de Ciencias de la Energía de EE. UU., Y tiene como objetivo desbloquear el misterio de neutrinos.
En resumen, Fermilab necesita PIP-II para habilitar la física de neutrinos a la que apuntamos. Además, la actualización del sistema Acelerator permite futuros experimentos que actualmente son imposibles.
¿Cuáles son los principales logros del proyecto hasta ahora?
PIP-II recibió fondos completos para el proyecto en 2022 y ha estado en la fase de construcción del sistema desde entonces. El PIP-II en realidad comenzó hace muchos años y tenía un concepto temprano conocido como el «conductor de protones» que se concibió en 2005. Este fue un proyecto mucho más grande y evolucionó bajo varios nombres diferentes hasta que se eligió «PIP-II».
PIP-II está financiado por una inversión de aproximadamente $ 1 mil millones del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) con una contribución adicional de $ 300 millones de socios internacionales. Este es el primer proyecto de física de partículas liderado por Estados Unidos en hacer contribuciones internacionales sustanciales de países como Italia, Francia, el Reino Unido, India y Polonia. No solo financieramente, el proyecto también se beneficia enormemente del conocimiento compartido de los socios internacionales, particularmente en áreas clave como SRF. Si hay un problema, nuestros socios en el extranjero están muy bien posicionados para ayudarnos. La colaboración internacional es extremadamente importante para el proyecto. Por ejemplo, actualmente estamos construyendo herramientas e instalaciones similares para tres producciones: Fermirab, una en el Reino Unido y la otra en Francia. Discutamos mutuamente, intercambiamos conocimiento para garantizar que nuestros pensamientos y procesos coincidan. Si experimentamos hipo, vemos lo que están haciendo los otros equipos y establecemos por qué no tienen el mismo problema.
La construcción de ingeniería civil está en marcha. Hasta ahora, los túneles han sido completamente excavados y nuestros edificios polares están completos. La propiedad de esto ya se ha otorgado a Fermilab, y el edificio está lleno de cajas frías y compresores cálidos que conforman la planta del congelador. Este dispositivo enfría el relleno superconductor con dos Kelvins. Estos componentes han hecho una gran contribución del Ministerio de Energía Atómica de la India, y las discusiones sobre esto comenzaron en 2012. Muchas personas están extremadamente orgullosas de haber trabajado en esta colaboración y recibieron el equipo en diciembre pasado. Esto se ha instalado en colaboración con mis colegas indios y la fase de puesta en marcha comenzará a principios del próximo año.
Hay mucho trabajo en progreso en la cavidad SRF. Antes de recibir la aprobación completa del presupuesto, pudimos demostrar el borde superior de la frontend PIP-II en la instalación de prueba del inyector PIP-II (PIP2IT). Es decir, desde el transistor de nitruro de galio (GaN) hasta las dos primeras capas de congelación SRF, el haz podría acelerarse a los parámetros LBNF. Esta fue una importante mitigación de riesgos para los proyectos que ayudaron a convencer al DOE de liberar presupuestos para todos los proyectos, ya que demostró que alcanzaría el objetivo al menos hasta los dos primeros módulos de congelación. Esto es seguido por otros 21 módulos de congelación con cuatro sabores diferentes, lo cual es un buen comienzo. Actualmente tenemos contratos de la industria para todos los sabores de la cavidad SRF. Como mencioné, hemos completado las temperaturas criogénicas de preproducción nuevamente este año, por lo que el próximo año podemos comenzar a producir todos los sabores de todos los módulos PIP-II Cre en Francia, el Reino Unido, India y Fermirab.
© Ryan Postel, Fermilab
También hay todo el trabajo en progreso con la actualización. Por ejemplo, proporcionamos colimadores al departamento de aceleradores para mejorar el rendimiento de nuestros sistemas de aceleradores actuales. PIP-II ya ayuda a mejorar la cadena de aceleración actual entregando hardware y ayudando a mejorar la máquina.
¿Podría explicar los módulos de congelación y la etapa de preproducción en detalle?
Los linacs superconductores como el XFEL europeo y el LCLS-II de SLAC son máquinas electrónicas, y usan solo un tipo de tipo congelado. PIP-II acelera los iones H que son mucho más pesados que los electrones, por lo que requiere el uso de diferentes tipos de módulos y cavidades de congelación. PIP-II es complicado. Esto se debe a que necesitamos lidiar con cinco nuevos criomódulos desarrollados por el equipo de Fermilab y los socios internacionales.
El primer prototipo de módulo CREO conocido como el resonador 1 de radiario 1 (SSR1) se probó en Fermilab después de muchos años de producción y ahora es compatible con una máquina. Use el prototipo como la primera unidad de la máquina completa. Este es un gran logro.
El segundo módulo CRY, el módulo prototipo de High Beta 650 Cry, se construyó en Fermilab y se envió a Luxemburgo a través de aviones de carga. Desde aquí fue una pista del canal a un socio británico cerca de Manchester. Cuando se devolvió a los Estados Unidos y se probó aquí, se logró el mismo rendimiento, lo que indica que el poste de congelación puede transportarse sobre el Océano Atlántico sin degradación. Este fue otro logro gigantesco.
La cavidad de RF viene en cinco sabores. Todos empujan los límites de la tecnología SRF más allá de la última tecnología de varias maneras.
También buscamos la limpieza de plasma en las cavidades, lo que nos permite solucionar cualquier cavidad que sea problemática durante el proceso de instalación u operación del módulo CRY. Anteriormente, si ocurriera problemas, tenía que eliminar los módulos CRY de la máquina y asegurarlos para reducirlos por completo y alcanzar la cavidad. Ahora no necesitamos descomponerlo todo, estamos trabajando en formas de repararlos en el acto.
¿Qué significa el éxito en esta etapa para su proyecto a largo plazo?
Ahora, el éxito está a tiempo y permanece en el presupuesto.
Todos los días, alrededor de 400 personas de Fermirab están involucradas en el proyecto de una forma u otra, con al menos 200 personas involucradas en el extranjero a través de socios internacionales. Es un gran esfuerzo continuo, por lo que es importante mantenerse dentro de su horario y presupuesto.
Estamos en una situación muy dinámica y hay muchos cambios en el mundo y el mercado. Estamos activamente en el mercado para comprar en todo el mundo, pero esto puede ser un desafío. Nuestros socios también enfrentan los mismos desafíos y están completamente comprometidos a apoyar PIP-II y ofrecer las promesas que hicieron hace años. Ajustar esto es importante. El objetivo es entregar lo que dijimos para que los científicos puedan proporcionar los experimentos que desean seguir.
¿Qué será lo siguiente para este proyecto de Cryomodule de preproducción?
El objetivo es la producción completa de amplificadores de estado sólido utilizados para alimentar no solo el Fermilab sino también partes de la cavidad italiana, bolas congeladas de baja beta, máquinas polares británicas y cavidad india. Esta es una fase muy importante del proyecto y se espera que comience el próximo año. El primer paso importante es demostrar que estas tres polarizaciones congeladas de producción cumplen con los requisitos de rendimiento del proyecto. Si esto es exitoso, la producción completa puede comenzar. Este paso crítico requiere trabajar juntos para mantener el rendimiento, garantizar que el proceso sea estable en los cinco países y para mantener la calidad requerida para lograr un rendimiento óptimo con estos componentes críticos. Si esto no sucede, la producción debe suspenderse para comprender y resolver el problema antes de que progrese.
Otro hito importante programado para el próximo año es celebrar un contrato para conexiones de refuerzo. Esta es una conexión con el nuevo túnel Linack y el túnel Boott. Esto implica la eliminación de la estructura y el equipo, y por razones de seguridad, la operación debe detenerse en esta etapa. Esta importante etapa del proyecto debe llevarse a cabo en estrecha coordinación con el resto del laboratorio para minimizar la confusión.
Sobre Christian Bofour
Actualmente Christian es el director del proyecto para PIP-II. Christian era ingeniero mecánico y comenzó su carrera en Fermirab a fines de la década de 1990. Se mudó a la industria alemana durante 12 años, ganando experiencia como gerente de proyectos, mientras trabajaba en el mismo campo de imanes y aceleradores superconductores. En 2019, Christian regresó a Fermirab para participar en el proyecto PIP-II.
Este artículo también se presentará en la 22ª edición de trimestralmente Publicación.
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