Erfolgreiche Tests von Doppel-Speichen-Kavitäts-Cryomodulen

Das FREIA-Labor an der Uppsala-Universität hat erfolgreich eine Reihe von Tests an Doppel-Speichen-Hohlraum-Cryomodulen für die Europäische Spallationsquelle (ESS) abgeschlossen. Das ist das erste Mal, dass diese speziellen Cryomodule in einer echten Maschine eingesetzt werden. Bei den Tests wurden 13 Cryomodules plus ein Ersatzmodul getestet, um sicherzustellen, dass sie bereit für ihre vorgesehenen Anwendungen sind.

#Was ist ein Cryomodule?

Ein Cryomodule ist ein Gerät, das supraleitende Radiofrequenz (SRF) Hohlräume beherbergt und diese bei sehr niedrigen Temperaturen hält. Diese Hohlräume sind entscheidend für die Beschleunigung von Teilchen in Experimenten der Teilchenphysik. Jedes Cryomodule enthält zwei Doppel-Speichen-Hohlräume, die speziell dafür entworfen sind, effizient bei niedrigen Temperaturen zu arbeiten.

#Das FREIA-Labor

Das FREIA-Labor in Uppsala, Schweden, konzentriert sich auf Forschung und Entwicklung im Zusammenhang mit Teilchenbeschleunigern. Das Labor ist verantwortlich für die Tests der Cryomodules, die in der ESS verwendet werden, die in Lund, Schweden, basiert. Die Cryomodules werden in Paris zusammengebaut und dann nach Uppsala für intensive Tests geschickt. FREIA hat die notwendigen Einrichtungen, darunter eine Heliumverflüssigungsanlage und Radiofrequenz-Stromversorgungsstationen, um diese Tests durchzuführen.

#Testzeitplan

Der erste Prototyp des Doppel-Speichen-Cryomoduls wurde 2019 getestet. Nach den Erfahrungen daraus hat FREIA seine Verfahren und Ausrüstung für weitere Tests aktualisiert. Die Tests der 13 Serien-Cryomodules begannen im Oktober 2020 und endeten im Mai 2023, wobei nur das Ersatzmodul übrig blieb. Während dieser Testkampagne mussten fünf Module repariert werden, insgesamt wurden 18 Tests durchgeführt.

#Häufige Probleme

Während der Tests wurden zwei Hauptprobleme bei den Cryomodules festgestellt:

1. Leckagen: Es wurden Lecks zwischen dem Doppelwandrohr und dem Strahlvakuum festgestellt, als es kalt war. Dieses Problem entstand durch mechanisches Polieren der Schweissnähte, was die Oberflächenqualität beeinträchtigte.
2. Motorprobleme: Ein Schrittmotor wurde unresponsive, nachdem er eine bestimmte Position erreicht hatte. Dieses Problem wurde gelöst, indem er aufgeheizt und ersetzt wurde.

Diese Lecks wurden erst erkannt, nachdem die Module mit flüssigem Helium gekühlt wurden. Tests bei Raumtemperatur zeigten keine Lecks, was eine Lücke im Bewertungsprozess aufdeckte.

#Durchschnittlicher Testprozess

Das Testen eines Cryomoduls dauert etwa sechs Wochen, wobei vier dieser Wochen für Niedertemperatur-Betrieb aufgewendet werden. Bei der Ankunft werden Tests durchgeführt, um die elektrische Konnektivität und die Vakuumwerte zu überprüfen. Die Module durchlaufen dann eine Reihe systematischer Schritte, um sie auf weitere Tests bei kalten Temperaturen vorzubereiten.

#Typische Schritte im Test eines Cryomoduls

• Empfangstests: Überprüfung der elektrischen Verbindungen und Vakuumwerte.
• Umzug zum Testrahmen: Das Cryomodule wird auf einen Stützrahmen gesetzt, um die Bewegung zu erleichtern.
• Anschliessen der kryogenen Leitungen: Die notwendigen Kühlleitungen werden verbunden.
• Lecktests: Der Heliumkreis wird auf Lecks bei verschiedenen Druckstufen überprüft.
• Kalibrierung: RF-Kabel werden kalibriert und die nötige Ausrüstung für Tests eingerichtet.
• Kühlverfahren: Die Hohlräume werden mit flüssigem Stickstoff und flüssigem Helium gekühlt.
• RF-Tests: Radiofrequenztests werden bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt.

#Handhabung und Installation

Sobald ein Cryomodule ankommt, wird es auf einen beweglichen Rahmen gesetzt und für die Tests vorbereitet. Die Türknöpfe, die das Modul mit den RF-Leitungen verbinden, müssen sorgfältig ausgerichtet werden, bevor sie gesichert werden. Ein Lecktest umfasst das Spülen des Heliumkreises mit reinem Gas und die Überprüfung der Verbindungen.

Um effiziente Abläufe zu gewährleisten, werden zwei Stützrahmen gleichzeitig verwendet, was schnelle Übergänge zwischen den Tests ermöglicht. Wenn ein Modul mit den Tests fertig ist, kann das nächste ohne Verzögerung vorbereitet werden.

#Kuppler-Bedingung

Die Fundamental Power Couplers (FPCs) sind entscheidend für den Betrieb der Cryomodules. Sie werden sowohl im IJCLab als auch im FREIA-Labor konditioniert. Dieser Konditionierungsprozess hilft sicherzustellen, dass die Kuppler bereit sind, hohe Leistungsniveaus ohne Probleme zu bewältigen.

Während der Konditionierung werden die Leistungsniveaus schrittweise erhöht, und signifikante Schwankungen in den Vakuumwerten werden genau überwacht. Das ist wichtig, um sicherzustellen, dass die Kuppler unter betrieblichen Bedingungen zuverlässig arbeiten.

#Kühlverfahren

Das Kühlen der Cryomodules ist ein schrittweiser Prozess. Zuerst wird flüssiger Stickstoff verwendet, um die thermischen Abschirmungen zu kühlen, gefolgt von flüssigem Helium, um die Hohlräume auf ihre Betriebstemperaturen zu bringen. Verschiedene Schritte werden unternommen, um sicherzustellen, dass das System während des Kühlprozesses stabil bleibt.

#Kühlphasen des Cryomoduls

1. Kühlung der thermischen Abschirmungen: Mit flüssigem Stickstoff wird die Temperatur auf etwa 80 K gesenkt.
2. Füllen mit flüssigem Helium: Die Hohlräume werden bei etwa 4.2 K mit Helium gefüllt, was ein kritischer Schritt vor den RF-Tests ist.
3. Endkühlung auf 2 K: Die Temperatur wird weiter gesenkt für optimale Leistung.

#Wärmebelastungsmessung

Während des Betriebs ist es wichtig, sowohl statische als auch dynamische Wärmebelastungen zu verstehen, um die Leistung der Cryomodules zu bewerten. Diese Messungen zeigen, wie viel Wärme während des Betriebs von den Hohlräumen aufgenommen wird, was ihre Effizienz beeinflusst.

#Faktoren, die die Wärmebelastung beeinflussen

• Systemkonfiguration: Die spezifische Einrichtung kann zu Variationen in den Wärmebelastungsmessungen führen.
• Kühlmechanismen: Die verwendeten Kühlmethoden können beeinflussen, wie Wärme im System verwaltet wird.
• Betriebsbedingungen: Die Interaktion zwischen Komponenten während des Betriebs kann ebenfalls zu Veränderungen in der Wärmebelastung führen.

#Feldemission

Feldemission bezieht sich auf die Entladung von Elektronen von der Oberfläche der Hohlräume während des Betriebs. Die Tests haben gezeigt, dass die meisten Hohlräume keine signifikanten Probleme mit der Feldemission hatten, was die Effektivität der verwendeten sauberen Montageprozesse demonstriert.

#Quench-Detektion

Ein Quench ist ein plötzlicher Verlust der Supraleitfähigkeit in den Hohlräumen. Aufgrund der einzigartigen Natur der Speichen-Hohlräume wurde ein System entwickelt, um Quenches vorherzusehen und zu verhindern. Das Überwachen der RF-Pulsform hilft sicherzustellen, dass jede Verzerrung, die auf einen Quench hinweisen könnte, sofort angesprochen wird.

#Kaltes Tuning-System

Jedes Cryomodule ist mit einem kalten Tuning-System ausgestattet, das Motoren umfasst, die die Frequenz der Hohlräume einstellen. Dieses System ermöglicht präzises Tuning, während die Module betrieben werden, um optimale Leistung unter verschiedenen Bedingungen zu gewährleisten.

#Gelerntes

Nach Jahren des Testens wurden mehrere wichtige Lehren identifiziert:

• Verstehen der Systemgrenzen: Die Erkennung der Kapazitätsgrenzen von Geräten hilft, die Abläufe zu optimieren.
• Verbesserungen der Wärmebelastungsmessung: Es gibt laufende Diskussionen über die Einführung neuer Messtechniken zur Verbesserung der Genauigkeit.
• Stabilitätsherausforderungen: Die Aufrechterhaltung stabiler Abläufe erfordert Aufmerksamkeit für die Zuverlässigkeit aller Komponenten, insbesondere der Stromversorgungen.
• Qualitätssicherung bei Tests: Sicherzustellen, dass Motoren und andere Komponenten gründlich überprüft werden, kann Probleme während der Tests verhindern.

#Fazit

Die erfolgreiche Testung der Doppel-Speichen-Hohlraum-Cryomodules bei FREIA stellt einen bedeutenden Meilenstein für das ESS-Projekt dar. Obwohl einige Herausforderungen auftraten, bestätigten die anschliessenden Reparaturen und Nachtests die Zuverlässigkeit der Module. Die Erkenntnisse aus diesen Tests werden wertvolle Informationen für zukünftige Projekte mit Speichen-Hohlräumen in der Teilchenphysik bieten. Das Engagement des PERSONALS bei FREIA, zusammen mit der Zusammenarbeit mit verschiedenen Partnern, spielte eine entscheidende Rolle für den Erfolg dieses Projekts.