Os criomodules são componentes essenciais para a atualização do complexo de aceleradores do Fermi National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia dos EUA, conhecido como Proton Improvement Plan II, ou PIP-II.
O PIP-II apresenta um novíssimo acelerador linear de radiofrequência supercondutor de 800 milhões de elétrons de ponta, ou linac, que permitirá ao Fermilab produzir mais de 1 megawatt de potência de feixe, 60% maior do que as capacidades atuais. Para alcançar esse feito inovador, o linac será composto por criomódulos, que são vasos contendo cavidades de nióbio.

O primeiro acelerador de partículas em solo dos EUA construído com contribuições significativas de parceiros internacionais, o PIP-II receberá três criomodules montados de parceiros do Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia no Reino Unido e nove criomodules montados do Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternativas, ou CEA, na França.

Transportar com segurança esses componentes montados delicados e caros para o Fermilab será um grande desafio para a equipe do PIP-II. Com base em uma experiência recente em que um criomódulo de outro experimento foi danificado em trânsito, a equipe está tomando precauções extras para garantir o transporte seguro dos criomódulos do PIP-II, incluindo testes extensivos do sistema de transporte.

O primeiro passo foi projetar, construir e testar uma estrutura de transporte que irá segurar e proteger os criomódulos. Enquanto os colaboradores do PIP-II no STFC – e mais tarde, CEA – eventualmente projetarão e construirão seu próprio quadro, um protótipo do quadro STFC foi construído no Fermilab, onde será usado para enviar uma carga fictícia e protótipos de criomódulos. Este projeto e validação são um esforço de equipe entre os três laboratórios, com os resultados e as lições aprendidas influenciando o projeto das estruturas de envio finais que transportarão os criomódulos de produção do STFC e CEA para o Fermilab.

"Todo o projeto está funcionando como um para [alcançar] uma abordagem para o transporte", disse Jeremiah Holzbauer, cientista do Fermilab no Escritório de Integração Técnica PIP-II. "Estamos todos aprendendo com este primeiro processo juntos."

Mitchell Kane, engenheiro de projeto mecânico do STFC, projetou o quadro de teste em estreita colaboração com o Fermilab, que então contratou uma empresa americana para construir o quadro.

A parte mais difícil do processo, disse Kane, foi que ainda não há um design finalizado para o criomódulo que o quadro eventualmente conterá. "Você precisa ter alguma flexibilidade no projeto. Com flexibilidade, há incerteza", disse Kane.

A equipe do Fermilab fabricou uma carga fictícia para ser uma réplica do criomódulo – basicamente, blocos de concreto com as dimensões, peso e pontos de montagem do criomódulo. Eles então demonstraram a instalação complexa da carga fictícia na estrutura de teste e a prepararam para testes de transporte.

"Conseguimos realmente ter uma primeira vez bastante impecável de configurar essa coisa", disse Ryan Thiede, especialista técnico para montagem de criomodule. "Deu tudo certo. Tudo se alinhou. Tivemos muito poucos problemas, e parecia que todos ficaram bastante impressionados com a primeira tentativa de configuração."

Kane visitou o Fermilab no final de abril para supervisionar a montagem da estrutura e o teste de carga fictícia. "Por causa do COVID e tudo mais, eu não via nada fisicamente há dois anos e meio. desta experiência]", disse ele.

Em 25 de abril, a estrutura de teste passou por um teste de estrada de três horas para verificar o desempenho do sistema de isolamento, projetado para amortecer o percurso do criomódulo. "Foi extremamente suave. O design é muito bom", disse Holzbauer.

Neste verão, a estrutura de teste que contém a carga fictícia será enviada para o Reino Unido, onde os técnicos do STFC irão desmontá-la, montá-la novamente e enviá-la de volta ao Fermilab. Esse processo também verificará a logística de transporte, como inspeções alfandegárias e carregamento de aeronaves.

"Se isso for bem sucedido, o sistema de transporte é verificado", disse Holzbauer.

Em seguida, a PIP-II usará o quadro para enviar um protótipo de criomodulo para o Reino Unido, que atualmente está planejado para o final deste ano. Uma vez lá, os parceiros do PIP-II no STFC descarregarão o protótipo do criomódulo e o passarão por instrumentação e verificações de vácuo antes de enviá-lo de volta ao Fermilab.

"Assim que for enviado de volta para nós, vamos testá-lo novamente e garantir que ele ainda funcione tão bem quanto antes", disse Holzbauer. "Essa é a prova definitiva de que podemos enviar criomódulos. E essa é basicamente a demonstração central [de que] podemos enviar todos os nossos criomódulos."

Finalmente, dentro de alguns anos, o STFC enviará os criomódulos de produção em sua própria versão refinada do quadro de envio ao Fermilab para a construção do PIP-II. Kane disse que já notou alguns pequenos ajustes no design que farão no quadro do Reino Unido.

Então, em 2025, será a vez do CEA colocar em uso seu próprio quadro de transporte. Assim que a produção começar, os colaboradores franceses planejam enviar criomódulos para o Fermilab em um ritmo de um por mês.

Robin Cubizolles, engenheiro do CEA e coordenador do subprojeto PIP-II para criomódulos e transporte, observou os procedimentos para a montagem e projeto desta estrutura de teste e disse que aprendeu muito que informará o sistema de transporte do CEA.

"Quero agradecer ao Fermilab pela boa colaboração. [Há] muita transparência em todos os aspectos", disse Cubizolles. "Para mim, é meu primeiro projeto com esse tipo de [arranjo de trabalho colaborativo], e é muito bom ver isso."

Por enquanto, a montagem da estrutura de teste é um exemplo de colaboração bem-sucedida de uma equipe internacional – esperamos, um dos muitos triunfos que virão para o PIP-II.

"Trabalhando entre a equipe técnica aqui como eu, o pessoal de instrumentação aqui e os parceiros tanto da CEA quanto do STFC, acho que fizemos muitas mudanças de design muito boas na fase de pré-planejamento", disse Holzbauer. "Temos muitos dos nossos procedimentos realmente alinhados, realmente examinados, e todas as especificações foram muito limpas. Eles nos ajudaram com a supervisão do fornecedor. com muita segurança, e tudo correu exatamente como queríamos." + Explorar mais

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