为了确保可运输能力,必须满足主文本中概述的空间,质量和功耗约束。因此,仅将主要功能的设备集成到图1B中所示的传输框架中,而非必需组件在运输前断开并保留在实验区域中。该设置称为传输配置,包括四个设备组。
核心系统对于限制陷阱内的颗粒很重要,主要由高精度电压供应和750-WH UPS组成,并由两个铅酸电池支撑。电压电源连接到陷阱中心的三个电极,该电极限制了粒子云,而所有其他电极均接地。磁铁是在持久模式下自我维持的,并且在没有主动控制的情况下运行。LHE加热器支持磁铁隔热罩的第一阶段的冷却(请参阅“运输准备和过程”部分,以及“运输过程中记录的传感器数据”)。如扩展数据表1所示,该实验需要150 W的运输配置功率,最多可在离网操作中5小时。可以通过在等待时间和卡车准备期间将UPS连接到附近的电源插座来延长电池寿命。在这种尝试中,在上述运输过程中,只有51%的电池容量在返回实验区时使用。
实施监视和控制系统以监视质子云和传感器数据,并在必要时与颗粒相互作用。为了监视质子,使用FFT频谱分析仪处理来自图像电流检测系统的信号。常规的FFT分析仪很大,重25公斤,需要高达70 W的功耗。要解决这些缺点,该实验开发了一种基于外部声卡的自定义FFT分析仪,该分析仪是大小和重量的1/50。使用波形生成器1(扩展数据表1)将检测器信号降低到声卡的频率范围。声卡记录信号并将其传输到框架上的迷你PC传输控制个人计算机(PC)。然后,该PC分析了采样信号并生成FFT光谱,如“粒子数校准”部分所示,可以从中浸出宽度,因此可以提取质子的数量。此外,PC在记录的光谱旁边收集并显示实时传感器数据,并运行基本的陷阱控制程序来调整电极电压。它还使我们能够通过边带耦合28冷却质子的径向模式。波形发电机2(激发)提供了用于冷却的射频,该频率保持在备用模式,以节省电源直到需要。路由器用于建立无线本地网络,通过笔记本电脑或智能手机对实验进行远程控制和监视。
真空系统包括真空室和连接的泵。该实验包括两个独立的真空系统:磁铁真空室和入口真空室9。第一个是磁铁的绝缘真空吸尘器,该真空被永久安装的涡轮分子泵(TMP)和阀后面的背面滚动泵泵出。入口腔室真空连接到低温陷阱室,并定义了陷阱室内单层形成的时间(请参阅主文本)。它由两个TMP串联泵送,这些TMP被永久安装,并且可以通过门阀关闭。他们的背滚动泵可移动用于运输。此外,在入口室安装了不可蒸发的Getter Pump(NEG)。
传感器连接到运输控制PC,以收集有关图2所示的传输过程中陷阱状态的信息,并在“传输过程中记录的传感器数据”部分中进行了详细讨论。六个温度传感器跟踪磁铁和隔热罩温度,而两个压力表监视磁铁和入口室中的真空条件。LHE级仪表记录氦气消耗,基于微控制器的遥测记录器跟踪传输框架上的加速度。它捕获线性和角加速度,以及沿三个轴的磁场变化。记录仪还包括用于位置数据的GPS天线。
在准备运输过程中,填充了LHE储罐,并且将陷阱操作和数据采集所需的所有设备放入运输配置中,请参见“运输设置”部分以获取参考。在运输过程中,所有TMP的阀连接都关闭,并且泵被关闭,因为它们的操作没有可用的功率。预处理被断开并保留在实验区。NEG泵继续运行,因为它不需要外部功率。在运输框架上的四个起重点连接连接到散布器束,以使其在启动阶段时通常小于1°的倾斜度保持水平。准备好起重机后,运输的时间关键时间部分是通过用2 W的功率激活氦气加热器,以沸腾LHE并在运输过程中脉冲管冷却器的第一阶段补偿热负载。随后,氦气回收线断开,非返回阀将蒸发的氦发射到大气中。在运输序列期间,丢失了约13.5 L的液氦。在下一步时,停止了脉冲管冷却器,在图2的图中设置了零小时的参考。随着脉冲管冷却器的关闭,磁体仅通过储罐内的氦气冷却,将传输的时间限制设置为4小时。然后,LHE水平变得太低,并且在脉冲管冷却器的重新启动期间或开始填充LHE时有淬磁的风险。
脉冲管冷却器的弯曲线断开,并且由于LHE冷却并与沸腾的气体进行热量交换,因此在运输过程中抑制了脉冲管中的压力。作为最后一个动作,卸下了UPS电源线,运输框架上的设备开始从UPS电池中吸收电源。随着运输框架与区域完全断开,运输开始,并且通过AMF大厅和街道上的路径如图2a所示。
将传输框架返回区域后,首先将UPS系统重新连接到电网,然后将脉冲管冷却器重新连接到压缩机并重新启动。氦气加热器的操作一直持续到LHE储罐的压力高于恢复线压力,以避免通过将温暖气体赶入氦气罐来避免实验。随后,在重新连接氦气恢复线并重新启动泵后关闭加热器,完成了运输和重新连接程序。
记录的最相关的传感器数据如图2所示,其中显示了GPS数据,温度,总加速度和LHE水平。零时间引用了脉冲管冷却器的关闭时间,其他事件的时机显示在扩展数据表2中。
随着脉冲管冷却器的停止,图2C中的数据显示,随着脉冲管冷却器开始热身,磁铁的温度升高。在操作过程中,它会积极冷却系统,但是当关闭时,脉冲管会向磁铁进行热量,该磁体与铜热导体热连接到脉冲管冷却器和LHE储罐。这会改变磁铁的平衡温度,从而使温度曲线的水平升至约5.5 k。由于重新连接了脉冲管冷却器的flexline,温度尖峰,并且其重新启动发生在传输过程的末端(请参阅主文本)。在这两种情况下,分别从压缩机和脉冲管冷却器的压力和启动压缩机均衡,脉冲管冷却器中的氦气均设置为运动。为了抵消这两者,我们需要降低连接到脉冲管冷却器第一阶段的隔热罩的温度,该温度未直接连接到液体储层进行冷却。我们使用位于LHE储罐上的加热器元件施加2 W加热能力,以蒸发更多的氦气,并在氦气罐的排气装置中通过热交换器冷却隔热器。这样,我们在运输过程中将隔热罩温度从51 K升至仅66 K。重新启动脉冲管冷却器后,磁铁开始冷却至其初始温度约为4.5 k。
图2b中的温度曲线还显示了四个凹痕,在卡车运输过程中最引人注目。在道路上行驶会在更长的时间内在LHE储罐中产生湍流,从而有效地将0.82 K暂时降低至约4.7 K。在曲线上至少可以看到类似的行为。所有三个较小的凹痕都是放下陷阱的结果,在该陷阱中,沉降会导致储罐中的湍流很小。大约30分钟的缩进是将磁铁放在预告片上的结果,以在第2点切换顶部起重机(图2A),而在1 H 20分钟左右的缩进是到达装载湾(图2A)处的缩进(图2A)。在大约2 h 25分钟时,小小的凹痕也是缩小的凹痕,是在轨道上放置在距离距离侧面的小屋顶的小屋。图2D中的总加速度表明,这些事件与图2E中的较大加速度以及湍流的矩与储罐中的LHE水平绘制。运输框架上的加速度主要与旋转和倾斜事件有关,在LHE中产生湍流,这使液体与通常高于液体水平的油箱的部分接触。在氦气罐的顶部,安装了振动器,并与脉冲管冷却器界面具有强烈的热耦合。因此,氦气罐中液体的运动会导致冷却附近或换气器上的表面,从而抵消通过冷冻机的热流,从而导致观察到的临时冷却效果。进一步支持这种解释是在卡车运输过程中将冷却至4.7 K的观察到大约20分钟,这是旋转和倾斜的最长湍流时期,而大型线性加速度的事件与最强的临时冷却并不对齐。
最大的加速度事件达到了7.7 m s -2的记录值,陀螺仪数据显示快速滚动运动高达2°。这是因为在扩展数据表2中列出的框架向卡车的牵引程序是根据DIN EN 12195固定的,其中货物与货物区域之间的正常力通过将货物通过四个牵引线拉到地板上,并通过将摩擦量提高货物垫来增加货物的地板,从而增加了货物区域。在沉降过程中,线上的力不会同时增加,从而导致框架的不受控制的运动,如果对称地拧紧托斯,这是可以避免的。例如,在围绕起重机上的垂直轴旋转期间,观察到较小的加速度值,例如,当框架和散布器束之间的绑扎带拧紧时。即使是在地面上的举起和安顿下来,启动操作也只会产生较低的加速度。加速度数据还显示了回到实验区域的到达和脉冲管冷却器挠性线的重新连接过程(扩展数据表2中的最后一个条目)。
由于脉冲管冷却器的操作,磁铁中的氦气水平保持恒定。没有加热器,站立时间是切换冷冻机OFF9后约12小时。一旦施加2 W的加热能力来冷却隔热罩,氦气蒸发就开始了,在运输序列期间,我们使用了约45%(13.5 L),持续3小时和21分钟。我们已经表征了脉冲管冷却器的尖峰,该峰值的持续时间长达4小时而无需运输,这表明磁场保持恒定。进一步增加最大运输时间是可行的;但是,它需要耗时的测试。
关于真空条件,我们在运输过程中观察到磁铁真空腔中的压力高达10-7 mbar水平,我们将其归因于磁铁不同热阶段的多层绝缘(MLI)箔从自发气体释放。入口腔室没有MLI箔,没有显示这种行为。它保持在低10-8 MBAR范围内的恒定压力。
如公式(1)所示,谐振器上的倾角宽度是线性取决于被困颗粒的数量。为了校准坡度,我们将质子云加载到陷阱中,并开始蒸发与其不同的步骤尺寸的质子。我们使用适当的线形状29拟合FFT频谱,并通过使用单个质子的浸入宽度作为参考(扩展数据图1A),将最合适的粒子数分配给每个测量值。我们对结果进行线性拟合以进行校准,从而在谐振器上为0.64±0.06 Hz的单个质子倾角宽度,而线性拟合(0.63±0.01)Hz×N+(0.09±0.13)在扩展的数据中,图1B),其中N是proton的数量。
使用此校准,可以将图3B中的DIP宽度数据转换为粒子数。N中的不确定性来自校准不确定性(1.6%),由于RP的温度和磁场依赖性(1%)和统计不确定性而引起的系统不确定性。我们在运输前后分别确定66.3(1.3)Hz和65.6(1.3)Hz浸入宽度,分别对应于105(2)和104(2)质子。这些值与无损传输一致,因为它们在误差线的0.4σ之内同意。
我们认为在运输过程中认为重要的质子的潜在损失机制是与残留气体的碰撞或电荷交换反应,以及大颗粒云的径向扩展。电荷交换反应会导致立即粒子损失,但未观察到。其他两种机制诱导了被困颗粒的木磁子半径的生长,我们可以检测轴向频移作为磁铁半径的函数,因为陷阱的场不完美,然后丢失了颗粒。但是,在将云存储在陷阱中几天时,也没有在运输过程中观察到这一点。

