FAIR의 극저온학: 적응성이 핵심입니다

Jul 23, 2023

극저온학은 독일에서 건설 중인 반양성자 및 이온 연구 시설(FAIR)의 핵심 구현 기술입니다. Joe McEntee가 FAIR에서 극저온 프로그램을 함께 이끌고 있는 Holger Kollmus와 Marion Kauschke와 초저온에서의 성공 비결에 대해 이야기합니다.

독일 다름슈타트에 있는 반양성자 및 이온 연구 시설(FAIR)은 유럽 최고의 가속기 연구 실험실 중 하나인 중이온 연구를 위한 GSI 헬름홀츠 센터의 야심찬 재구성을 나타냅니다. 2027년 초기 사용자 실험을 위해 온라인으로 출시되면 FAIR는 강입자 물리학, 핵 구조 및 천체 물리학에서 원자 물리학, 재료 과학에 이르기까지 광범위한 연구 캔버스를 다루기 위해 구축된 다목적 가속기 단지를 전 세계 과학자들에게 제공할 것입니다. 및 방사선 생물물리학(암 치료 및 우주 과학의 다운스트림 응용 분야 포함).

도식 수준에서 FAIR는 양성자부터 우라늄 이온까지 1차 빔뿐만 아니라 반양성자와 희귀 동위원소의 2차 빔도 생성합니다. 따라서 가속기 시설은 강렬하고 에너지 넘치는 입자 빔을 다양한 생산 목표에 전달하도록 최적화되었습니다. 생성된 빔은 이후 다양한 고정 대상 실험으로 조정되거나 2차 반양성자 또는 방사성 이온의 고품질 빔을 사용한 링 내 실험을 위해 특수 저장 링에 주입됩니다.

이 모든 실험적 화력을 뒷받침하는 것은 FAIR의 주요 구성 요소입니다. 즉, 강력한 기본 빔을 제공하는 빠른 속도의 SIS100 싱크로트론입니다. 이국적인 이온빔을 걸러내는 Super FRS(Super Fragment Separator); 및 보관 링(아래 "여기에서 FAIR까지" 참조). 한편, 기존 GSI 가속기(UNILAC 및 SIS18)는 SIS100의 주입기 및 사전 가속기 역할을 하는 반면, 새로운 양성자 선형 가속기는 싱크로트론 체인에 고강도 주입을 제공합니다. 여기서 각각 GSI/FAIR 극저온 프로그램의 책임자이자 부책임자인 Holger Kollmus와 Marion Kauschke는 CERN Courier에게 실험실의 극저온 인프라와 초저온에 대한 전문 지식이 FAIR의 장기적인 과학 임무의 기본이 되는 방법을 설명합니다.

HK: GSI에서는 극저온에 대한 광범위한 배경 이야기가 없지만 현재까지 두 번의 대규모 실험에서만 초전도 자석을 배치했습니다. FAIR를 구축하기로 한 전략적 결정은 초저온 기술을 GSI 개발 로드맵의 중심에 두었습니다. FAIR의 초전도 자석에 대한 대규모 테스트를 제공하기 위한 전문 인프라에 대한 요구 사항을 고려하십시오. 적절한 사례는 2005년부터 2012년까지 5개의 자석 설계 후보를 평가하는 데 사용된 프로토타입 테스트 시설(PTF)입니다. 이러한 프로토타입 중 하나인 소위 FOS(first-of-series) 자석은 이후 SIS100 링(총 110개의 쌍극자 자석, 2개의 예비품 포함)용으로 지정되었습니다.

그러나 PTF의 단일 테스트 스탠드가 합리적인 기간 내에 모든 자석을 검증하는 데 적합하지 않다는 것이 곧 분명해졌습니다. 대신 해당 작업은 스위스 제조업체 Linde Kryotechnik이 제공한 극저온 플랜트 및 장비를 사용하여 2013년에 가동된 시리즈 테스트 시설(STF)에 할당되었습니다. PTF에서 얻은 교훈을 바탕으로 STF는 SIS100 쌍극자 자석의 대규모 테스트를 위해 처리량과 작업 흐름 효율성을 극대화했습니다.

MK: 테스트 중인 초전도 자석을 위한 슬라이드 시스템, 벨로우즈 없는 장착 및 피드 박스, 자석 및 엔드 박스 사이의 접근 가능한 인터페이스를 갖춘 맞춤형 건물 설계 및 레이아웃이 핵심입니다. 피드 박스와 엔드 박스는 테스트를 위해 양쪽에서 초전도 자석을 둘러싸고 있으며 전자는 추가적으로 자석에 액체 헬륨 냉각제와 전류를 공급합니다. 액체 헬륨은 자석을 일정한 4.5K로 유지하는 반면 차폐(50~80K로 유지)는 극저온으로 냉각된 자석의 가열(소위 "차가운 질량")을 줄입니다.