خبر – یک قرارداد چند ساله اخیراً منعقد شده برای دستیابی به یک کارخانه بزرگ برودتی برای خنک کردن ده ها هزار تن آرگون مایع به همراه دارد. در اعماق زمین نوترینو آزمایش کنید یک قدم به تحقق
DUNE و کارخانه برودتی آن در Long-Baseline مونتاژ خواهند شد نوترینو تسهیلات، یک پروژه جاه طلبانه که توسط آزمایشگاه شتاب دهنده ملی فرمی وزارت انرژی ایالات متحده سازماندهی شده است. این آزمایش رفتار اسرارآمیز ذرات بنیادی به نام نوترینو را با جزئیات بیشتر از همیشه بررسی خواهد کرد. آ نوترینو پرتو توسط Fermilab شتاب دهنده PIP-II حدود 1300 کیلومتر (حدود 800 مایل) از طریق زمین به مایع عظیم پر از آرگون سفر خواهد کرد. نوترینو آشکارسازها در غارهای LBNF داکوتای جنوبی واقع در مرکز تحقیقات زیرزمینی سنفورد.
تهیه تجهیزات برای خنک کردن 17500 تن آرگون مایع در هر یک از انجمادهای بزرگ در ماژول های آشکارساز دور، وظیفه بزرگ Air Products، یک شرکت گازهای صنعتی مستقر در آلن تاون، پنسیلوانیا است. محدوده کلی این قرارداد شامل طراحی، ساخت، نصب و راه اندازی سیستم تبرید نیتروژن مایع برای خنک سازی و نگهداری آرگون در دمای منفی 186 درجه سانتیگراد یا منفی 303 درجه فارنهایت می باشد. هر دو سیستم نیتروژن و آرگون سیستم های بسته خواهند بود – هیچ کدام به طور فعال به محیط خارج نمی شوند.
آرگون یک گاز نجیب است که حدود 10 برابر سنگین تر از هلیوم هم تیمی خود است. در دمای پایین به مایع تبدیل می شود. سیستم خنک کننده نیتروژن مایع، آرگون را در آشکارسازهای DUNE خنک می کند در حالی که آرگون از طریق یک حلقه بسته جداگانه جریان می یابد. از آنجایی که آرگون به آرامی می جوشد (یک اجتناب ناپذیر ترمودینامیکی)، آرگون گازی حاصل از مبدل های حرارتی خنک شده با نیتروژن مایع عبور می کند. از آنجایی که نیتروژن مایع سردتر از دمایی است که در آن آرگون مایع می شود، هر آرگون گازی دوباره به مایع متراکم می شود. این مایع بازیابی شده سپس یک فرآیند تصفیه را پشت سر می گذارد و سپس به آرگون مایع مورد استفاده در آشکارسازها و کرایواستات های DUNE اضافه می شود.
سرد نگه داشتن نیتروژن مایع پیچیده تر است. در حین کار، نیتروژن مایع در سیستم تبرید گرم می شود و به صورت گاز نیتروژن به فنر می رسد. به جای خنک کردن نیتروژن با مواد حتی سردتر، گاز نیتروژن از طریق یک سری تغییرات فشار، با بهره گیری از فناوری اختصاصی توربوشارژر و اثر ژول تامسون، دوباره متراکم می شود. هنگامی که یک گاز به طور قابل توجهی فشرده می شود و سپس از طریق یک دهانه کوچک مانند یک سوپاپ رانده می شود و اجازه می دهد منبسط شود، گاز خنک می شود. اگر گازی به طور مکرر فشرده، سرد و سپس منبسط شود، در نهایت آنقدر سرد می شود که مایع شود. این روش به خوبی شناخته شده است و بیش از 100 سال است که مورد استفاده قرار می گیرد. خوشبختانه با پیشرفت تکنولوژی کارآمدتر شده است.
دیوید مونتاناری، معاون مدیر پروژه برای زیرپروژه Remote Detector and Cryogenic Infrastructure می گوید: «شما می توانید همین کار را با آرگون انجام دهید. او گفت: “مشکل این است که الزامات خلوص آرگون به ما اجازه نمی دهد.” آرگون موجود در آشکارسازها باید به خلوص قطعات در تریلیون برسد (غلظت ناخالصی ها باید کمتر از یک تریلیونم درصد باشد) که با روش فشرده سازی – انبساط مایع سازی گاز امکان پذیر نیست.
Air Products مسئولیت طراحی، ساخت و نصب کل سیستم برودتی نیتروژن مایع را بر عهده خواهد داشت. جزء جدایی ناپذیر این سیستم برودتی، گنجاندن فن آوری فشرده سازی مدولار است که برای فشرده سازی گاز نیتروژن و توربو اکسپندرهای مورد استفاده برای انبساط و خنک کردن نیتروژن استفاده می شود. این سیستم همچنین توانایی بیشتری برای تولید نیتروژن خود با استفاده از فناوری غشایی اختصاصی Air Products خواهد داشت. سیستم غشایی از فناوری فیبر توخالی برای استخراج نیتروژن با خلوص بالا از هوای فشرده استفاده می کند.
هنگامی که فاز مهندسی کامل شد، این شرکت سیستم را در یکی از تاسیسات خود تولید می کند، سپس آن را برچیده می کند تا بتواند در دهانه شفت 5 فوت در 13 فوت قرار گیرد و در قسمت هایی از یک مایل زیر زمین و به تازگی حمل شود. غارهای LBNF حفاری شده که DUNE را در خود جای خواهند داد.
مونتاناری گفت: از نقطه نظر مهندسی، سیستم نیتروژن مایع منحصر به فرد است و در نوع خود بی نظیر است. از دیدگاه صنعت نیز منحصر به فرد است. آنها هرگز چنین سیستمی را زیرزمینی نساخته اند، زیرا هیچ کس چیزی زیرزمینی در صنعت نمی سازد. نیازی نیست.”
انتظار می رود تلاش مهندسی برای تولید سیستم نهایی حدود 10 ماه طول بکشد. پس از تایید پروژه، سیستم ساخته و نصب خواهد شد و در نهایت در سال 2026 به صورت آنلاین عرضه خواهد شد. انتظار می رود که آشکارسازهای راه دور DUNE بزرگترین سیستم برودتی زیرزمینی در جهان باشند.
اطلاعات بیشتری در مورد برودتی آشکارسازهای دور LBNF/DUNE بیابید اینجا.
آزمایشگاه ملی فرمی توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود. دفتر علوم بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به Science.energy.gov.
