自歐洲核子研究中心成立以來,瑞典的烏普薩拉大學一直是該實驗室的重要合作伙伴。20世紀50年代,烏普薩拉大學剛剛建造了自己的回旋加速器,為歐洲核子研究中心的第一臺加速器--同步回旋加速器的開發做出了貢獻。20世紀80年代,歐洲核子研究中心協助烏普薩拉建造了一個名為CELSIUS的質子和重離子加速器和冷卻器儲存環,2000年代中期,烏普薩拉協助歐洲核子研究中心開發和運行CLIC CTF3測試設施。現在,烏普薩拉大學正在升級其最初為ESS項目建造的FREIA實驗室,以測試HL-LHC的超導磁體和蟹穴。
烏普薩拉大學于2011年建立了FREIA實驗室,用于儀器和加速器開發。它配備了一個名為Hnoss的水平低溫器,一個用于超導腔的低溫模塊測試臺,以及一個名為Gersemi的垂直低溫器。在北歐神話中,Hnoss和Gersemi是弗雷亞女神的女兒。
格塞米的一個獨特之處在于它具有腔體和磁體測試的雙重功能。空腔在液氦中以2K和亞大氣壓進行測試,而磁體則在2K和大氣壓下進行測試。磁鐵產生的磁場可以磁化低溫恒溫器周圍的任何金屬部件,如鋼筋混凝土。由于超導腔對磁場非常敏感,這對低溫箱在兩種操作模式下的功能提出了實質性的不同要求。
正在準備測試的HL-LHC蟹穴。圖片:CERN
格塞米公司使用不同的插入物進行腔體和磁體測試,并有一個主動的地球磁場補償系統來屏蔽超導腔體,由一個與英國公司Bartington Instruments Ltd合作生產的原型三軸磁傳感器進行監測。
格塞米垂直低溫器在2019年期間安裝和調試。2020年夏天,第一個HL-LHC原型蟹形腔從歐洲核子研究中心送來,安裝在格塞米,并冷卻到2K。這比名義設計值高出1.2MV。
"我們克服了很多問題,并通過了很多里程碑,包括機械、真空、低溫和輻射屏蔽問題,"負責該測試的超導射頻(SRF)研究員Akira Miyazaki說。"我們現在已經牢牢地站在了腔體業務的起跑線上!"
與此同時,測試HL-LHC軌道校正器磁鐵的準備工作也在進行。歐洲核子研究中心開發的兩個功率轉換器和能量提取裝置被送往烏普薩拉,并在2020年6月23日宣布了第一個積極的結果。
在完成蟹穴測試后,磁體被安裝到Gersemi,并先冷卻到4K,然后冷卻到2K。在這兩個溫度下進行了廣泛的測試,以調試超導磁體測試的完整裝置。許多小的和不小的問題都必須得到解決,包括低溫箱硬件和測試硬件及軟件的問題。2021年4月1日,該系統終于準備好在4K溫度下首次給冷磁體供電。兩周后,磁體被冷卻到2K,并再次成功供電。"在遇到幾周,甚至幾個月的困難之后,我很高興地宣布,超導磁鐵已經在FREIA實驗室首次通電,"磁鐵測試工程師Kévin Pepitone說。"所有系統的反應都符合預期"。大型強子對撞機的超導軌道校正器磁鐵被供電到接近額定電流,并且在格塞米產生了2.4T的磁場。
正在準備測試的LHC超導軌道校正器磁鐵。圖片:CERN
烏普薩拉新設備的成功投入使用,使FREIA實驗室成為歐洲核子研究中心SM18測試設施的重要補充,為HL-LHC新部件的測試提供了時間。
除了目前在格塞米進行的超導磁體測試外,烏普薩拉和歐洲核子研究中心已經開始了一個新的合作項目,該項目將利用新的制造技術來生產一種創新的新型磁體,即所謂的斜角-共軛-θ設計。這個基本想法是由兩個略微傾斜的螺線管組成的,它起源于20世紀60年代。直到今天,通過精確的計算機輔助制造,將其工業化才變得可行。烏普薩拉大學和林奈大學將向瑞典的三家參與公司提供技能開發,以開發制造磁鐵的技術。我們的目標是開發一個原型磁鐵,在未來,當LHC中現有的偶極軌道校正器磁鐵的壽命結束時,可以取代它們。一個主要的要求是使其與現有的軌道校正器插件兼容,限制了電流、淬火保護、整體尺寸和連接的設計選擇。超導電纜和磁力布局的設計工作已經開始。磁體的供電測試將在Gersemi進行。
斜角錐體磁鐵的初步設計。上圖是超導線材的繞組。下圖是磁場強度,最大為3.1T。(圖片:CERN)
該項目得到了歐盟 "地平線2020 "研究與創新計劃的資助,項目編號為GA 730871。