[论文解读] Design and construction of a cryogenic subcooler-box for supplying single phase supercritical helium to dark matter and gravitational wave experiments

Udai Raj Singh, Rajinikumar Ramalingam+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2026

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一句话总结

论文描述了在 DESY 设计、开发和安装 ALPS Cryo-Platform Subcooler Box (ACPS)，用于对多项高热负荷低温实验进行亚冷却和分配超临界氦气，包括质量流量计算与运行模式。

ABSTRACT

We report on the design, development, and installation of the ALPS Cryo-Platform Subcooler Box (ACPS), which is part of the cryogenic platform being established in the HERA North Hall at DESY to supply helium for cooling large-scale dark-matter and gravitational-wave experiments with very high heat loads. The ACPS is capable of subcooling supercritical helium supplied via the 1.6-km-long HERA transfer line by means of a pipe heat exchanger immersed in a subcooler bath filled with liquid helium produced through Joule-Thomson valves. It is also equipped with numerous cryogenic components, including control valves, flow meters, and safety valves, enabling experimental operation to be carried out directly by the ACPS itself and thereby reducing the cryogenic requirements imposed on the experiments. To support a wide range of experiments, the ACPS provides three transfer lines that deliver different levels of cooling power.

研究动机与目标

• 解决 DESY 大型暗物质与引力波实验对高热负荷低温制冷的需求。
• 设计并实现一个亚冷却解决方案，将超临界氦气从 HERA 传输线带到约 4.5 K，以服务多项实验。
• 提供独立的氦气传输线和集成低温部件，减少对外部低温制冷的依赖。
• 表征质量流量需求和运行模式，以支持降温、升温、液化和安全性。

提出的方法

• 设计具备亚冷却浴、集成管道换热器（PHEX）和焦耳-汤普森（JT）阀的 ACPS。
• 对 4.5–5 K 回路和 40–80 K 回路进行电路分析，以支持三项实验并可能增加第四项。
• 使用热负荷情景和来自 CB42 冰箱的氦气焓值，以及 4.5 K 回路返回值来确定阀门、管道和传感器的尺寸（质量流量计算）。
• 评估包括泵送、排气、液化、独立降温/升温和安全排放等运行模式。
• ACPS 的 3D 设计、制造、安装与验收测试程序。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一个 cryogenic subcooler box，使氦气在高热负荷下被亚冷却并分配到多个实验？
• RQ2 规模化阀门、换热器与传感器以实现独立实验运行所需的质量流量需求和焓值考量是什么？
• RQ3 为了实现可靠、独立运行的 ACPS，需要哪些运行模式和安全措施？

主要发现

• ACPS 能将超临界氦气从 HERA 传输线亚冷至约 4.5 K，压力为 1.3–3.5 bar，供给实验使用。
• 区域性质量流量需求范围：TL1 至 Exp. 1 为 6–30 g/s，TL2/TL3 至 Exp. 2 与 Exp. 3 为 2–10 g/s，另还有分配给 Exp. 4 的额外配给。
• 40–80 K 回路负载指示 TLs 与盒子总体热负荷在场景 1 为 5476.9 W、场景 2 为 7177.6 W。
• 提供 4.5 KF/5 KR 与 40 KF/80 KR 线路的最终质量流量与温度，并包含约 20% 的应急冗余。
• Exp. 1–3 的液化速率为 3.0 g/s（Exp. 1）和 3.0 g/s（Exp. 2）用于 1.8 K 池，且液化速率可通过 JT 阀实现可变性。
• ACPS 支持独立降温/升温及通过安全阀实现的安全排放路径。