ATLAS' major cooling project
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Description
In 2005, a considerable effort has been put into commissioning the various units of ATLAS' complex cryogenic system. This is in preparation for the imminent cooling of some of the largest components of the detector in their final underground configuration.
The liquid helium and nitrogen ATLAS refrigerators in USA 15.
Cryogenics plays a vital role in operating massive detectors such as ATLAS. In many ways the liquefied argon, nitrogen and helium are the life-blood of the detector. ATLAS could not function without cryogens that will be constantly pumped via proximity systems to the superconducting magnets and subdetectors. In recent weeks compressors at the surface and underground refrigerators, dewars, pumps, linkages and all manner of other components related to the cryogenic system have been tested and commissioned.
Fifty metres underground
The helium and nitrogen refrigerators, installed inside the service cavern, are an important part of the ATLAS cryogenic system. Two independent helium refrigerators cool the superconducting magnets' cold mass to 4.5 K and keep its thermal shield at an average temperature of 60 K. A third nitrogen refrigerator cools the three huge calorimeter cryogenic vessels to 87 K.
During testing, two recently purchased cooling units achieved power above the specified values. The 6 kW at 4.5 K helium refrigerator, recovered from LEP, is already running at 90 % of its maximum capacity, and will require further tuning to obtain final performance. In case it is needed during the magnets' operation, a liquid nitrogen precooler, which can boost the liquefaction rate, has been added to this machine.
External and proximity systems
Outside the service cavern, eight compressors are installed in a dedicated building on the surface. These supply the underground refrigerators with high pressure helium and nitrogen gas via large pipe ducts. Moreover, two 50 000 litre dewars, also on ground level, have already successfully supplied liquid nitrogen underground.
Altogether these devices constitute the external cryogenics, generating the required cooling power at different temperatures and in the various steady state and transient operating modes.
In addition to the external cryogenics, ATLAS relies on 'proximity systems' to distribute cryogens between the refrigerators and the magnets and calorimeters. Located in the 'proximity' of the ATLAS detector, these linkages are installed in the UX15 main cavern. They include phase separators, expansion volumes, buffer dewars (cryogenic storage vessels), current leads turrets, cryogenic pumps, distribution valve boxes, transfer lines and safety devices. The total liquid inventory of all the proximity systems is massive: 90 000 litres of argon, 15 000 litres of nitrogen and 13 000 litres of helium.
According to Giorgio Passardi, AT/ECR group leader, the external and proximity cryogenics systems which together constitute the plant are only comparable in scale and complexity, in terms of High Energy Physics detectors, to the large Bubble Chambers built in the 1970s!
Success in performance tests
Both liquid helium and nitrogen have been delivered to the proximity systems in the ATLAS cavern for performance tests, before they are finally connected to the magnets and calorimeters. The intense commissioning and test program is producing good results and a large effort is being devoted in preparation for the simulation of the final operation scenarios. The performance of the centrifugal liquid helium and nitrogen pumps, for the two-phase forced cooling of the magnets and calorimeters, has also been found to be very satisfactory. Particularly worth mentioning are the largest helium centrifugal pumps ever built, each providing a flow of more than 10 litres/sec!
All the teams involved are making a final push and are confident that the overall system will be operational this winter to meet important ATLAS milestones: in particular, the cooling to their operating temperatures of the Barrel Toroid, the Central Solenoid and the Barrel Liquid Argon Calorimeter.
Other (French)
En 2005, la collaboration ATLAS a beaucoup travaillé à la mise en service des diverses unités de son système cryogénique complexe. Il s'agit des préparatifs pour l'imminent refroidissement de trè s grands éléments du détecteur dans leur configuration définitive sous terre.
Les réfrigérateurs d'hélium et d'azote liquides d'ATLAS dans USA15.
La cryogénie joue un rôle capital dans l'exploitation de détecteurs massifs comme ATLAS. A bien des égards, l'argon, l'azote et l'hélium liquides sont les fluides vitaux du détecteur. ATLAS ne pourrait fonctionner sans les cryogènes que l'on y pompe constamment par les systèmes de proximité vers les aimants supraconducteurs et les sous-détecteurs. Ces dernières semaines, des compresseurs en surface, des réfrigérateurs en souterrain, des dewars, des pompes, des interfaces et toutes sortes d'autres éléments du système cryogénique ont été testés et mis en service.
A cinquante mètres sous terre
Les réfrigérateurs d'hélium et d'azote, installés dans la caverne de service, forment une partie importante du système cryogénique d'ATLAS. Deux réfrigérateurs d'hélium indépendants refroidissent à 4,5 K la masse froide de l'aimant supraconducteur et maintiennent son écran thermique à une température moyenne de 60 K. Un troisième réfrigérateur d'azote refroidit à 87 K les immenses enceintes cryogéniques du calorimètre.
Au cours des essais, deux modules de refroidissement récemment achetés ont atteint une puissance dépassant les valeurs spécifiées. Le réfrigérateur d'hélium de 6 KW à 4,5 K, récupéré du LEP, fonctionne déjà à 90% de sa capacité maximale et, après de nouveaux ajustements, devrait parvenir aux performances requises. Lors de l'exploitation de l'aimant, un pré-refroidisseur à azote liquide lui sera adjoint si nécessaire afin d'augmenter le débit de liquéfaction.
Systèmes extérieurs et de proximité
Hors de la caverne de service, en surface, huit compresseurs sont installés dans un bâtiment spécialisé. Ils fournissent aux réfrigérateurs souterrains de l'hélium et de l'azote gazeux sous haute pression par de grandes conduites. De plus, deux dewars de 50 000 litres, également en surface, ont déjà fourni avec succès de l'azote liquide sous terre.
Ensemble, ces dispositifs constituent la cryogénie externe, qui fournit la puissance de refroidissement nécessaire à différentes températures et dans les divers modes d'exploitation, transitoires ou continus.
En plus de la cryogénie extérieure, ATLAS s'appuie sur ses « systèmes de proximité » pour distribuer les cryogènes entre les réfrigérateurs et les aimants et calorimètres. Situées au voisinage du détecteur ATLAS, ces interfaces sont installées dans la caverne principale UX15. Elles comprennent les séparateurs de phase, les volumes d'expansion, les dewars tampon (enceintes cryogéniques de stockage), les tourelles d'amenées de courant, les pompes cryogéniques, les boîtiers de vannes de distribution, les lignes de transfert et les dispositifs de sécurité. L'inventaire total liquéfié de l'ensemble des systèmes de proximité est énorme : 90 000 litres d'argon, 15 000 litres d'azote et 13 000 litres d'hélium.
Selon Giorgio Passardi, chef du Groupe AT/ECR, les systèmes externes et de proximité qui, ensemble, constituent la centrale cryogénique ne sont comparables par leur taille et leur complexité, dans le domaine des détecteurs de physique de haute énergie, qu'aux grandes chambres à bulles construites dans les années 70.
Des essais de performance concluants
Avant la connexion finale aux aimants et aux calorimètres, on a délivré aussi bien l'hélium que l'azote liquides aux systèmes de proximité dans la caverne d'ATLAS pour des tests de performance. Le programme intense de mise en service et d'essai fournit de bons résultats et la préparation de la simulation des modes d'exploitation finals donne lieu à des travaux importants. La performance des pompes centrifuges d'hélium et d'azote liquides, pour le refroidissement forcé diphasique des aimants et des calorimètres, s'est aussi avérée très satisfaisante. On peut souligner en particulier la présence des pompes centrifuges d'hélium, les plus grandes jamais construites, produisant chacune un débit de plus 10 litres par seconde !
Toutes les équipes concernées donnent un dernier coup de collier, confiantes que l'ensemble du système sera opérationnel cet hiver, à temps pour franchir d'importantes étapes d'ATLAS, en particulier la mise en froid aux températures d'exploitation du toroïde tonneau, du solénoïde central et du calorimètre à argon liquide du tonneau.
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Identifiers
- CDS
- 901287
- CDS Report Number
- BUL-NA-2005-118
- Aleph number
- 000038737MMD