美国能源部SLAC国家加速器实验室的超导粒子加速器只需一个半小时就能制造出比外太空更冷的温度。SLAC 低温团队主任 Eric Fauve 表示： “现在你点击一个按钮，机器就会从 4.5 开尔文降至 2 开尔文。”

 

虽然这个过程现在是完全自动化的，但是让这个称为LCLS-II的加速器达到 2 开尔文或负 456 华氏度，需要六年的时间来设计、建造、安装和启动一个复杂的系统。

 

最初的 LCLS 或直线加速器相干光源加速电子，最终产生用于原子和分子探测实验的 X 射线。LCLS-II 将与 LCLS 同时工作。然而，与在室温下使用铜部件加速电子的 LCLS 不同，LCLS-II 升级版采用了超导低温模块。这些低温模块更有效地为电子提供能量，这将有助于产生更强大的 X 射线脉冲，从而扩大跨领域的实验可能性。

 

虽然LCLS 可以在室温下运行，但LCLS-II 必须冷却到 2 开尔文，仅比绝对零高 4 华氏度，才能成为超导。 这意味着 SLAC 需要一个团队来专注于冷的东西。

 

在 LCLS-II 冷却之前，SLAC没有专门从事低温研究的小组。LCLS-II 低温团队现在由 20 名操作员和工程师组成，于 2016 年在 SLAC 成立，旨在建造冷却加速器的设施：低温工厂。 LCLS-II 的首席低温工艺工程师 Viswanath Ravindranath 表示：“这是一个很复杂的系统，有许多协同工作的子系统。”

 

SLAC与美国能源部费米国家加速器实验室和杰斐逊国家加速器设施的工程师以及领先的低温公司密切合作，为低温装置设计和采购材料。这种合作使 LCLS-II 项目能够从 DOE 实验室和其他地方的最佳低温资源中受益。

 

低温装置充满氦气，氦气冷却后泵入LCLS-II。当所有其他元素冻结在 4 开尔文以下时，氦可以保持流体状态，而在2开尔文时，氦变成超流体，这意味着它在没有粘性的情况下流动。这一事实，以及超流氦比任何其他已知物质都具有更好的导热能力，使其成为冷却超导加速器的完美制冷剂。

 

在冷却开始之前，堆满储罐的拖车将环境温度（约 300 开尔文）的气态氦输送到低温装置的室外储罐。低温装置总共需要四吨的氦气。

 

但这种氦到达时并不纯。任何杂质最终都会冻结并堵塞系统，因此首先净化器必须捕获任何水分或不需要的气体，例如氮气，以达到 99.999% 的氦气。

 

净化后，压缩机提高氦气的压力。气体的压力和温度是耦合的：随着压力降低，温度也会降低。因此，虽然稍后会有所帮助，但这会顺便将氦的温度提高到 370 开尔文。压缩后，五个装有冷却水的大型塔用于将氦的温度降低到300开尔文。然后气体进入低温装置的4K冷箱，这是一个巨大的、超级复杂的氦制冷机。

 

在冷箱中，运行77开尔文的液氮在热交换器中将氦气从300开尔文降至80开尔文。在该装置中，温度较高的氦气和较冷的液氮沿相反的方向传播，同时被薄金属板隔开，通过金属板将热量从氦气传递到氮气。 然后氦气通过一组四个涡轮膨胀机。现在，最初的气体压缩步骤得到了回报：涡轮膨胀机将高压气体膨胀，将其压力降低到足以将氦气带到5.5开尔文。

 

然而，氦在离开冷箱之前还有更多的膨胀要做。它穿过另一侧压力较低的阀门。这种较低的压力会导致气体膨胀，从而降低其压力并将其温度降至 4.5 开尔文（因此称为 4K 冷箱），在那里它变成了液体。 然后，这种液氦通过管道输送到加速器的低温模块，在那里它将机器冷却到 4.5 开尔文。 4K冷箱启动并运行后，Cryogenic 团队花了一周时间将 LCLS-II 从室温冷却到 2022 年 3 月 28 日首次达到4.5开尔文。

 

但这还不够冷

 

为了达到2开尔文，4.5开尔文的氦气通过加速器低温模块中的阀门再次（最终）膨胀。同样，阀门另一侧的较低压力会导致氦气的压力下降。这会将氦气冷却到2开尔文的目标温度。 “当它通过那个阀门时会发生奇迹，但这只是因为我们有一系列冷压缩机，可以将低温模块中的压力保持在非常低的压力，”Fauve 说。这组5台压缩机位于阀门之后，在阀门的任一侧产生关键压差。

 

在开启和配置这个冷却系统几个月后，LCLS-II 终于在4月15日达到了2开尔文。当电子束开启并被低温模块加速时，2 开尔文氦将从加速器吸收热量，沸腾，然后变成气体。该气体被注入回 4K 冷箱中，以帮助冷却较热的氦气。

 

“我们不想浪费冷却能力，所以我们尝试尽可能多地回收它，”Ravindranath 说。该系统回收了昂贵的氦气，但对长期运行至关重要。

 

Cryogenic 团队实际上建造了两台低温装置，它们共用一座建筑物，但 LCLS-II 只使用了一台。第二个低温装置将支持对 LCLS-II 的计划升级。当两台低温装置都启动时，它们将使用大约 10 兆瓦的电力。

 

美国只有其他四个低温装置将这么多的氦冷却到 2 开尔文。托马斯杰斐逊国家加速器设施和费米国家加速器实验室都拥有类似规模的低温装置，支持 SLAC 的设备设计和采购。SLAC 还与橡树岭国家实验室、布鲁克海文国家实验室和 CERN 合作。