Il Servizio Criostati e Impiantistica Criogenica ha principalmente il compito di condurre e gestire gli apparti di liquefazione e di refrigerazione ad elio liquido nonché curarne le manutenzioni. Normalmente sono stoccate ai LNL circa 2 tonnellate di elio che viene purificato e liquefatto da tre impianti identificabili come:
- Refrigeratore per l’acceleratore di particelle ALPI
- Refrigeratore per l’acceleratore di particelle PIAVE
- Liquefattore per piccoli esperimenti da laboratorio (TCF20)
I due refrigeratori hanno il compito di fornire elio liquido ai criostati che accelerano il fascio di particelle, in un circuito chiuso dove l’elio che evapora durante i raffreddamenti viene continuamente reinviato nei refrigeratori per essere nuovamente liquefatto.
L’elio liquido raggiunge la temperatura di 4.2 K (-269 °C) a pressione ambiente, e viene utilizzato per far raggiungere agli acceleratori lo stato di superconduttività, necessario per il loro funzionamento.
Il servizio di impiantistica criogenica e criostati è costituito da quattro unità di personale tecnico. Al momento non esiste alcun percorso scolastico che trasmetta nozioni di criogenia. Gli addetti al servizio sono diplomati in elettrotecnica o elettronica ed hanno maturato l’esperienza e la professionalità in ambito criogenico direttamente ai Laboratori Nazionali di Legnaro. Tutti gli apparati citati in precedenza sono interamente controllati, manutenuti, gestiti e programmati dal servizio di impiantistica criogenica.
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Linea di accelerazione Alpi (Criostati)
La linea di accelerazione del fascio di particelle è costituita da criostati in ognuno dei quali sono presenti cavità superconduttive (gli elementi che accelerano il fascio di particelle). Il criostato è parte integrante dell’acceleratore vero e proprio, ai Laboratori di Legnaro ne sono installati 22.
I criostati ricevono dal refrigeratore criogenico ALPI, l’elio liquido a 4.2 K per le cavità e l’elio gassoso a 60/80 K per gli schermi. Il refrigeratore è una macchina a ciclo chiuso in cui l’elio, evaporato dalle cavità e da tutta l’infrastruttura di distribuzione per effetto dell’energia proveniente dall’ambiente esterno, viene continuamente liquefatto. La potenza di refrigerazione massima di Alpi è pari a 1.200 W @ 4.2 K e 3.900 W @ 80 K. L’impianto di refrigerazione necessita di circa 1 MW di potenza elettrica per raggiungere la sua massima potenza refrigerante.
Linea di Accelerazione Piave
La linea di accelerazione di Piave è costituita solo da un modulo accelerante che si identifica come SRFQ. Esso viene tenuto freddo dall’elio liquido prodotto dal refrigeratore di Piave. Il gas che si libera dal raffreddamento viene reintrodotto nel refrigeratore e nuovamente liquefatto.
Liquefattore TCF20
Il liquefattore TCF20 non è collegato a nessuna linea di accelerazione del fascio, esso ha il compito di liquefare l’elio e stoccarlo in un apposito serbatoio. A seconda delle necessità può venire prelevato per consentire ai ricercatori di effettuare il raffreddamento dei propri apparati sperimentali.
Impianti di purificazione dell’elio gassoso
Prima della liquefazione, l’elio gassoso deve essere purificato, ovvero deve avere un tasso di impurità inferiore ai 5 ppm (5 parti per milione). Il sistema di purificazione può essere semplificato nel seguente modo:
Impianti Ancillari
Gli impianti criogenici appena descritti funzionano in concomitanza di altri apparati ancillari come:
-Sistemi di pompaggio in vuoto
-Sistemi di raffreddamento dell’acqua
-Sistemi di controllo attraverso circa 20 PLC
-Sistemi per stoccaggio in alta pressione dell’elio gassoso
I sistemi di controllo gestiscono circa 800 variabili analogiche (sensori di temperatura, pressione, livello e valvole di regolazione) e 500 variabili digitali (valvole on-off, resistenze, allarmi e feedback)