在獲得破紀(jì)錄的 X 射線的途中，SLAC 的低溫團(tuán)隊(duì)建造了一個(gè)氦制冷裝置，將 LCLS-II 加速器降低到超導(dǎo)溫度。

如今，能源部 SLAC 加速器實(shí)驗(yàn)室的超導(dǎo)粒子加速器只需一個(gè)半小時(shí)就能制造出比外太空更冷的溫度。 

“現(xiàn)在你點(diǎn)擊一個(gè)按鈕，機(jī)器就會(huì)從 4.5 開爾文降至 2 開爾文，”SLAC 低溫團(tuán)隊(duì)主任 Eric Fauve 說。 

雖然這個(gè)過程現(xiàn)在是完全自動(dòng)化的，但是讓這個(gè)稱為 LCLS-II 的加速器達(dá)到 2 開爾文或負(fù) 456 華氏度，需要六年的時(shí)間來設(shè)計(jì)、建造、安裝和啟動(dòng)一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。 

初的 LCLS 或直線加速器相干光源加速電子，終產(chǎn)生用于原子和分子探測(cè)實(shí)驗(yàn)的 X 射線。LCLS-II 將與 LCLS 同時(shí)工作。然而，與在室溫下使用銅部件加速電子的 LCLS 不同，LCLS-II 升級(jí)版采用了超導(dǎo)低溫模塊。這些低溫模塊更有效地為電子提供能量，這將有助于產(chǎn)生更強(qiáng)大的 X 射線脈沖，從而擴(kuò)大跨領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)可能性。 

但是，雖然 LCLS 可以在室溫下運(yùn)行，但LCLS-II 必須冷卻到 2 開爾文，僅比零高 4 華氏度，才能成為超導(dǎo)。 

這意味著 SLAC 需要一個(gè)團(tuán)隊(duì)來專注于冷的東西。 

組建團(tuán)隊(duì)組裝低溫裝置

在 LCLS-II 冷卻之前，SLAC 沒有專門從事低溫研究的小組。 

“我們的挑戰(zhàn)是，這是我們次與新團(tuán)隊(duì)合作，”Fauve 說。

LCLS-II 低溫團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在由 20 名操作員和工程師組成，于 2016 年在 SLAC 成立，旨在建造冷卻加速器的設(shè)施：低溫工廠。 

“這是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，有許多協(xié)同工作的子系統(tǒng)，”LCLS-II 的首席低溫工藝工程師 Viswanath Ravindranath 說。 

SLAC 與美國(guó)能源部費(fèi)米加速器實(shí)驗(yàn)室和杰斐遜加速器設(shè)施的工程師以及的低溫公司密切合作，為低溫裝置設(shè)計(jì)和采購材料。

LCLS-II 低溫裝置的示意圖。（格雷格·斯圖爾特/SLAC 加速器實(shí)驗(yàn)室）

“這種合作使 LCLS-II 項(xiàng)目能夠從 DOE 實(shí)驗(yàn)室和其他地方的低溫資源中受益，”Fauve 說。

低溫裝置充滿氦氣，氦氣冷卻后泵入 LCLS-II。當(dāng)所有其他元素凍結(jié)在 4 開爾文以下時(shí)，氦可以保持流體狀態(tài)，而在 2 開爾文時(shí)，氦變成超流體，這意味著它在沒有粘性的情況下流動(dòng)。這一事實(shí)，以及超流氦比任何其他已知物質(zhì)都具有更好的導(dǎo)熱能力，使其成為冷卻超導(dǎo)加速器的完美制冷劑。

在冷卻開始之前，堆滿熱狗形儲(chǔ)罐的拖車將環(huán)境溫度（約 300 開爾文）的氣態(tài)氦輸送到低溫裝置的室外儲(chǔ)罐。低溫裝置總共需要四公噸的氦氣。 

但這種氦到達(dá)時(shí)并不純。任何雜質(zhì)終都會(huì)凍結(jié)并堵塞系統(tǒng)，因此首先凈化器必須捕獲任何水分或不需要的氣體，例如氮?dú)?，以達(dá)到 99.999% 的氦氣。

凈化后，壓縮機(jī)提高氦氣的壓力。氣體的壓力和溫度是耦合的：隨著壓力降低，溫度也會(huì)降低。因此，雖然稍后會(huì)有所幫助，但這會(huì)順便將氦的溫度提高到 370 開爾文。

壓縮后，五個(gè)裝有冷卻水的大型塔用于將氦的溫度降低到 300 開爾文。然后氣體進(jìn)入低溫裝置的 4K 冷箱，這是一個(gè)巨大的、超級(jí)復(fù)雜的氦制冷機(jī)。 

在冷箱中，運(yùn)行 77 開爾文的液氮在熱交換器中將氦氣從 300 開爾文降至 80 開爾文。在該裝置中，溫暖的氦氣和較冷的液氮沿相反的方向傳播，同時(shí)被薄金屬板隔開，通過金屬板將熱量從氦氣傳遞到氮?dú)狻?/span>該工廠每隔使用 20 公噸液氮。 

然后氦氣通過一組四個(gè)渦輪膨脹機(jī)。現(xiàn)在，初的氣體壓縮步驟得到了回報(bào)：渦輪膨脹機(jī)將高壓氣體膨脹，將其壓力降低到足以將氦氣帶到 5.5 開爾文。 

然而，氦在離開冷箱之前還有更多的膨脹要做。它穿過另一側(cè)壓力較低的閥門。這種較低的壓力會(huì)導(dǎo)致氣體膨脹，從而降低其壓力并將其溫度降至 4.5 開爾文（因此稱為 4K 冷箱），在那里它變成了液體。 

然后，這種液氦通過管道輸送到加速器的低溫模塊，在那里它將機(jī)器冷卻到 4.5 開爾文。 

4K 冷箱啟動(dòng)并運(yùn)行后，Cryogenic 團(tuán)隊(duì)花了一周時(shí)間將 LCLS-II 從室溫冷卻到 2022 年 3 月 28 日達(dá)到 4.5 開爾文。但這還不夠冷！

LCLS-II 加速器的橫截面顯示液態(tài)和氣態(tài)氦流入和流出系統(tǒng)的位置。（格雷格·斯圖爾特/SLAC 加速器實(shí)驗(yàn)室）

更冷 

為了達(dá)到 2 開爾文，4.5 開爾文的氦氣通過加速器低溫模塊中的閥門再次（終）膨脹。同樣，閥門另一側(cè)的較低壓力會(huì)導(dǎo)致氦氣的壓力下降。這會(huì)將氦氣冷卻到 2 開爾文的目標(biāo)溫度。 

在低溫模塊內(nèi)部產(chǎn)生低壓本身就是一項(xiàng)壯舉。 

“當(dāng)它通過那個(gè)閥門時(shí)會(huì)發(fā)生奇跡，但這只是因?yàn)槲覀冇幸幌盗欣鋲嚎s機(jī)，可以將低溫模塊中的壓力保持在非常低的壓力，”Fauve 說。這組 5 臺(tái)壓縮機(jī)位于閥門之后，在閥門的任一側(cè)產(chǎn)生關(guān)鍵壓差。 

在開啟和配置這個(gè)冷卻系統(tǒng)幾個(gè)月后，LCLS-II 終于在 4 月 15 日達(dá)到了 2 開爾文。 

LCLS-II 的低溫過程和控制工程師 Swapnil Shrishrimal 說：“由于這么多聰明和敬業(yè)的人多年來的辛勤工作，一切皆有可能?！?nbsp;“作為一個(gè)小團(tuán)隊(duì)，也是一個(gè)年輕的團(tuán)隊(duì)，我們?yōu)槲覀兾械南到y(tǒng)感到非常自豪?！?/span>

當(dāng)電子束打開并被低溫模塊加速時(shí)，2 開爾文氦將從加速器吸收熱量，沸騰，然后變成氣體。該氣體被注入回 4K 冷箱中，以幫助冷卻較熱的氦氣。 

“我們不想浪費(fèi)冷卻能力，所以我們嘗試盡可能多地回收它，”Ravindranath 說。該系統(tǒng)回收了昂貴的氦氣，但對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行至關(guān)重要。 

Cryogenic 團(tuán)隊(duì)實(shí)際上建造了兩臺(tái)低溫裝置，它們共用一座建筑物，但 LCLS-II 只使用了一臺(tái)。第二個(gè)低溫裝置將支持對(duì) LCLS-II 的計(jì)劃升級(jí)。當(dāng)兩臺(tái)低溫裝置都啟動(dòng)時(shí)，它們將使用大約 10 兆瓦的電力。

美國(guó)只有其他四個(gè)低溫裝置將這么多的氦冷卻到 2 開爾文。托馬斯杰斐遜加速器設(shè)施和費(fèi)米加速器實(shí)驗(yàn)室都擁有類似規(guī)模的低溫裝置，支持 SLAC 的設(shè)備設(shè)計(jì)和采購。SLAC 還與橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室、布魯克海文實(shí)驗(yàn)室和 CERN 合作。 

“我們合作實(shí)驗(yàn)室多年的專業(yè)知識(shí)和支持使我們能夠做到這一點(diǎn)，”Shrishrimal 說。 
Fauve 還將團(tuán)隊(duì)的成功歸功于他們廣泛的規(guī)劃和奉獻(xiàn)精神。整個(gè)低溫團(tuán)隊(duì)在大流行期間留在現(xiàn)場(chǎng)，繼續(xù)使植物恢復(fù)生機(jī)。

“即使 SLAC 被關(guān)閉，如果你在冷凍廠，你也無法區(qū)分 COVID 之前和期間的區(qū)別，”Fauve 說，當(dāng)然，除了口罩和社交距離。 

LCLS-II 預(yù)計(jì)將在明年初產(chǎn)生批 X 射線。Cryogenic 團(tuán)隊(duì)相信他們將繼續(xù)輕松地運(yùn)行他們非常復(fù)雜的冰箱。 

“現(xiàn)在這是一個(gè)非常好的和簡(jiǎn)單的操作，因?yàn)橐磺卸际亲詣?dòng)化的，”Shrishrimal 說。 

該項(xiàng)目得到了美國(guó)能源部科學(xué)辦公室的支持。LCLS 是美國(guó)能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室。