۲۹ مه ۲۰۲۵-سایت PIP-II در آزمایشگاه فرمی در حال ساخت © رایان پوستل، آزمایشگاه فرمی
کریستین بوفو، مدیر پروژه پروژه PIP-II آزمایشگاه فرمی، در مورد پیشرفت‌های حاصل شده تاکنون در ارتقاء عمده مجتمع شتاب‌دهنده فرمی و معنای آن برای کشف‌های آینده بحث می‌کند.
طرح بهبود پروتون II (PIP-II) که قرار است دهه‌ها کشف جدید را تأمین کند، یک ارتقاء اساسی برای مجتمع شتاب‌دهنده آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی فرمی (Fermilab) در ایلینوی، ایالات متحده است. PIP-II شدیدترین پرتو نوترینوی پرانرژی جهان را در سفر خود از ایلینوی به آشکارساز دوردست آزمایش نوترینوی زیرزمینی (DUNE) در داکوتای جنوبی – مسافت ۱۳۰۰ کیلومتر (۸۰۰ مایل) – تأمین خواهد کرد. علاوه بر این، ارتقاء مجموعه شتاب‌دهنده موجود، یک برنامه تحقیقاتی فیزیک گسترده را امکان‌پذیر می‌کند و طیف وسیعی از امکانات تجربی را که قبلاً در دسترس نبوده‌اند، فراهم می‌کند.
از زمان آغاز ساخت و ساز در سال 2022، این پروژه تاکنون دستاوردهای کلیدی متعددی را به دست آورده است. در حال حاضر، این پروژه آماده است تا مونتاژ یک ماژول کرایومتر SSR2 (رزوناتور تک پره 2) پیش‌تولید را در Fermilab آغاز کند. همزمان، همکاران در بریتانیا و فرانسه در حال مونتاژ دو نوع دیگر از ماژول‌های کرایومتر خواهند بود: HB650 و LB650. شتاب‌دهنده خطی جدید از پنج نوع ماژول کرایومتر مختلف استفاده خواهد کرد و در مجموع از 23 ماژول کرایومتر تشکیل شده است که پرتو را تغذیه می‌کنند.
برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد این پروژه، دستاوردهای آن تاکنون و مراحل بعدی، جورجی پورسل، سردبیر، با کریستین بوفو، مدیر پروژه PIP-II، صحبت کرد.
لطفاً در مورد پیشینه PIP-II بیشتر برای ما بگویید؟
PIP-II یک ارتقاء قابل توجه از مجموعه شتاب‌دهنده در Fermilab است. مردم معمولاً از PIP-II به عنوان شتاب‌دهنده خطی جدید (Linac) یاد می‌کنند که به جای شتاب‌دهنده موجود که در دهه 1960 ساخته شده است، مورد استفاده قرار خواهد گرفت. در واقع، این پروژه بسیار فراتر از این است زیرا بخشی از پروژه، ارتقاء مجموعه شتاب‌دهنده موجود – متشکل از تقویت‌کننده، تزریق‌کننده اصلی و بازیافت‌کننده – را نیز شامل می‌شود. ما در حال ساخت یک شتاب‌دهنده خطی جدید با استفاده از فناوری جدید، حفره‌های فرکانس رادیویی ابررسانا (SRF) هستیم و همچنین در حال ارتقاء کل سیستم هستیم.
هدف اصلی PIP-II داشتن یک سیستم تزریق بهتر است که بتواند پرتوهای پروتونی بزرگتر از 1 مگاوات تولید کند. PIP-II که یک جزء حیاتی در آزمایش نوترینوی زیرزمینی عمیق است، پرتویی را تغذیه می‌کند که امکان شلیک نوترینوها را از Fermilab در ایلینوی به تأسیسات نوترینوی پایه بلند (LBNF) که در حال حاضر در تأسیسات تحقیقاتی زیرزمینی سنفورد در داکوتای جنوبی در حال ساخت است، فراهم می‌کند. DUNE بزرگترین پروژه در برنامه فیزیک انرژی بالای وزارت انرژی ایالات متحده است و هدف آن رمزگشایی از اسرار نوترینوها می‌باشد.به طور خلاصه، Fermilab به PIP-II نیاز دارد زیرا فیزیک نوترینو را که ما به دنبال آن هستیم، امکان‌پذیر می‌کند. علاوه بر این، ارتقاء سیستم شتاب‌دهنده، آزمایش‌های آینده‌ای را که در حال حاضر امکان‌پذیر نیستند، امکان‌پذیر می‌سازد.
دستاوردهای اصلی این پروژه تاکنون چه بوده‌اند؟
PIP-II بودجه کامل این پروژه را در سال 2022 دریافت کرد و از آن زمان، ما در مرحله ساخت سیستم بوده‌ایم. PIP-II در واقع سال‌ها قبل، با یک مفهوم اولیه به نام «محرک پروتون» که در سال 2005 ابداع شد، آغاز شد. این یک پروژه بسیار بزرگتر بود و با نام‌های مختلفی تکامل یافت تا اینکه «PIP-II» انتخاب شد.
PIP-II با سرمایه‌گذاری تقریباً 1 میلیارد دلاری از وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) و 300 میلیون دلار کمک اضافی از شرکای بین‌المللی تأمین مالی می‌شود. این اولین پروژه فیزیک ذرات به رهبری ایالات متحده است که با مشارکت‌های بین‌المللی قابل توجهی از کشورهایی از جمله ایتالیا، فرانسه، انگلستان، هند و لهستان انجام می‌شود. این پروژه علاوه بر جنبه مالی، از دانش مشترک شرکای بین‌المللی ما، به ویژه در حوزه‌های بحرانی مانند SRF، نیز بهره زیادی می‌برد. اگر مشکلی پیش بیاید، شرکای خارجی ما در موقعیت بسیار خوبی برای کمک به ما هستند. همکاری بین‌المللی برای این پروژه بسیار مهم است. به عنوان مثال، ما در حال حاضر در حال ساخت سه ماژول کرایوما پیش‌تولید هستیم – یکی در Fermilab، یکی در انگلستان و یکی در فرانسه – با ابزارها و امکانات مشابه. ما با یکدیگر صحبت می‌کنیم و دانش خود را تبادل می‌کنیم تا مطمئن شویم که افکار و فرآیندهای ما همسو هستند. اگر با مشکلی مواجه شویم، بررسی می‌کنیم که تیم دیگر چه کاری انجام می‌دهد تا مشخص شود که چرا آنها با همین مشکل مواجه نشده‌اند.
ساخت و ساز عمرانی در حال انجام است. تاکنون، تونل به طور کامل حفاری شده و ساختمان کرایوپلانت ما تکمیل شده است. مالکیت این پروژه قبلاً به Fermilab داده شده است و ساختمان با جعبه سرد و کمپرسورهای گرم که کرایوپلانت را تشکیل می‌دهند، پر شده است. این تجهیزات Linac ابررسانا را تا 2 کلوین خنک می‌کنند. این قطعات سهم بسیار بزرگی از وزارت انرژی اتمی هند هستند و بحث در این مورد از سال ۲۰۱۲ آغاز شد. افراد زیادی روی این همکاری کار کردند و ما بسیار مفتخریم که تجهیزات را در ماه دسامبر دریافت کردیم.
سال گذشته. این با همکاری همکاران هندی نصب می‌شود و مرحله راه‌اندازی از اوایل سال آینده آغاز خواهد شد.
کارهای زیادی در حال انجام با حفره‌های SRF است. قبل از دریافت تأییدیه برای بودجه کامل، ما توانستیم در مرکز آزمایش انژکتور PIP-II (PIP2IT) عملکرد بالای قسمت جلویی PIP-II را نشان دهیم – به این معنی که از ترانزیستور نیترید گالیوم (GaN) گرفته تا دو ماژول کرایمودول SRF اول، توانستیم پرتو را به پارامترهای LBNF در آنجا شتاب دهیم. این یک کاهش ریسک بزرگ برای پروژه بود که به متقاعد کردن وزارت انرژی برای انتشار بودجه برای کل پروژه کمک کرد، زیرا نشان دادیم که حداقل تا دو ماژول کرایمودول اول به هدف خود خواهیم رسید. پس از این، به 21 ماژول کرایمودول دیگر از چهار طعم مختلف نیاز داریم، اما این شروع خوبی است. ما در حال حاضر برای همه طعم‌های حفره‌های SRF با صنعت قرارداد داریم. همانطور که اشاره کردم، ما امسال در حال تکمیل پیش‌تولید ماژول‌های کرایمودول هستیم تا بتوانیم سال آینده تولید تمام انواع ماژول‌های کرایمودول برای PIP-II را در فرانسه، انگلستان، هند و در Fermilab آغاز کنیم.
همچنین تمام کارهای مربوط به ارتقاء در حال انجام است. به عنوان مثال، ما یک کولیماتور را به بخش شتاب‌دهنده خود تحویل داده‌ایم تا عملکرد سیستم شتاب‌دهنده فعلی را افزایش دهیم. PIP-II در حال حاضر با ارائه سخت‌افزار برای کمک به بهبود ماشین‌ها، به بهبود زنجیره شتاب‌دهی فعلی کمک می‌کند.
آیا می‌توانید در مورد ماژول‌های کرایمودول و مرحله پیش‌تولید بیشتر توضیح دهید؟
لینک‌های ابررسانا مانند XFEL در اروپا یا LCLS-II در SLAC ماشین‌های الکترونی هستند و فقط از یک نوع ماژول کرایمودول استفاده می‌کنند. PIP-II یون‌های H- را که بسیار سنگین‌تر از الکترون‌ها هستند، شتاب می‌دهد، بنابراین نیاز به استفاده از انواع مختلف کرایمودول‌ها و حفره‌ها دارد. PIP-II پیچیده است زیرا ما باید با پنج نوع کرایمودول سروکار داشته باشیم که همگی به تازگی توسط تیم Fermilab و شرکای بین‌المللی ما توسعه یافته‌اند.اولین نمونه اولیه کرایمودول، که به عنوان تشدیدگر تک پره ۱ (SSR1) شناخته می‌شود، پس از سال‌ها تولید در Fermilab آزمایش شد و اکنون آماده استفاده در دستگاه است. ما از این نمونه اولیه به عنوان اولین واحد در دستگاه کامل استفاده خواهیم کرد که یک دستاورد بزرگ است.
دومین کرایمودول، نمونه اولیه کرایمودول High Beta 650، در Fermilab ساخته شد و سپس از طریق هواپیمای باری به لوکزامبورگ ارسال شد. از اینجا، با یک کامیون از طریق کانال به شرکای بریتانیایی ما در نزدیکی منچستر منتقل شد. هنگامی که به ایالات متحده بازگردانده شد و در اینجا آزمایش شد، همان عملکرد حاصل شد و بدین ترتیب نشان داد که کرایمودول‌ها را می‌توان بدون تخریب بر فراز اقیانوس اطلس حمل کرد. این یک دستاورد عظیم دیگر بود.
پنج نوع حفره RF وجود دارد. همه آنها، به طرق مختلف، مرزهای فناوری SRF را فراتر از حد مدرن پیش می‌برند.
ما همچنین در حال پیگیری تمیز کردن حفره‌ها با پلاسما هستیم که به ما امکان می‌دهد حفره‌هایی را که در طول فرآیند نصب ماژول کرایو یا در حین کار دچار مشکل شده‌اند، تعمیر کنیم. پیش از این، اگر مشکلی پیش می‌آمد، ماژول کرایو باید از دستگاه جدا شده و کاملاً پیاده می‌شد تا به حفره‌ها برسد و آنها را تعمیر کند. اکنون، ما در حال کار بر روی راهی برای تعمیر آنها در محل هستیم، نه اینکه مجبور باشیم همه چیز را جدا کنیم.
موفقیت در این مرحله برای پروژه در درازمدت چه معنایی خواهد داشت؟
در حال حاضر، موفقیت به معنای پایبندی به برنامه و بودجه خواهد بود.
هر روز، حدود ۴۰۰ نفر در Fermilab به نوعی در این پروژه مشارکت دارند و حداقل ۲۰۰ نفر از طریق شرکای بین‌المللی ما در خارج از کشور درگیر هستند. این یک تلاش عظیم و مداوم است، به همین دلیل پایبندی به برنامه و بودجه بسیار مهم است.این نمونه اولیه ماژول کرایو HB650 به شرکایی در بریتانیا ارسال و به Fermilab بازگردانده شد. اواخر امسال، همکاران یک ماژول کرایومتر HB650 را در بریتانیا مونتاژ خواهند کرد.
ما در شرایط بسیار پویایی با تغییرات زیادی در جهان و بازار هستیم. ما به طور فعال برای خرید از سراسر جهان به بازار می‌رویم و این می‌تواند یک چالش باشد. شرکای ما نیز با همین چالش‌ها روبرو هستند و کاملاً متعهد به حمایت از PIP-II و عمل به وعده‌هایی هستند که سال‌ها پیش داده‌اند. هماهنگی این امر بسیار مهم است. هدف، ارائه آنچه که گفتیم انجام خواهیم داد – ساخت Linac 800 MeV و ارتقاء به مجموعه کامل – است تا بتوانیم بعداً آزمایش‌هایی را که دانشمندان می‌خواهند دنبال کنند، ارائه دهیم.
پس از این مرحله پیش تولید ماژول کرایومتر، گام بعدی این پروژه چیست؟
هدف، تولید کامل، نه تنها در Fermilab، بلکه برخی از حفره‌ها در ایتالیا، ماژول‌های کرایومتر با بتای پایین در فرانسه، ماژول‌های کرایومتر با بتای بالا در بریتانیا و تقویت‌کننده‌های حالت جامد مورد استفاده برای تأمین انرژی حفره‌ها در هند است. این یک مرحله بسیار حیاتی از پروژه است و قرار است سال آینده آغاز شود. اولین مرحله حیاتی، اثبات این است که این سه ماژول کرایومتر پیش‌تولید، الزامات عملکرد پروژه را برآورده می‌کنند. اگر این مرحله موفقیت‌آمیز باشد، می‌توانیم پروژه بعدی را آغاز کنیم.
تولید. در این مرحله حیاتی، ما باید عملکرد را حفظ کنیم، اطمینان حاصل کنیم که فرآیندها در هر پنج کشور ثابت هستند و با هم همکاری کنیم تا کیفیت مورد نیاز برای دستیابی به عملکرد بهینه در این اجزای حیاتی را حفظ کنیم. اگر این اتفاق نیفتد، قبل از اینکه بتوانیم پیشرفت کنیم، باید تولید را متوقف کنیم تا مشکل را درک و حل کنیم.
یکی دیگر از نقاط عطف مهم برنامه‌ریزی شده برای سال آینده، قرارداد اتصال بوستر است. این اتصال بین تونل جدید Linac به تونل بوستر است. این شامل حذف سازه‌ها و تجهیزات خواهد بود، بنابراین، به دلایل ایمنی، عملیات باید در این مرحله متوقف شود. این مرحله حیاتی از پروژه باید با هماهنگی نزدیک با بقیه آزمایشگاه انجام شود تا اختلال به حداقل برسد.
درباره کریستین بوفو
در حال حاضر، کریستین مدیر پروژه PIP-II است. کریستین مهندس مکانیک است و کار خود را در Fermilab در اواخر دهه 1990 آغاز کرد. او به مدت ۱۲ سال به صنعت در آلمان نقل مکان کرد و در حالی که همچنان در همان زمینه روی آهنرباهای ابررسانا و شتاب‌دهی حفره‌ها کار می‌کرد، به عنوان مدیر پروژه تجربه کسب کرد. در سال ۲۰۱۹، کریستین به آزمایشگاه فرمی بازگشت تا به پروژه PIP-II بپیوندد.
