Argonaut超冷机器人项目:进入液态氩海洋的航行

ProteodeNe Neutrino探测器

Argonaut是一种机器人系统,用于监测液体氩颗粒检测器的内部,它们保持在minus-193摄氏度。CERN的Protodune Neutrino探测器使用固定的内部相机在装满800吨液体氩气时寻找泡沫和火花等问题。信用:核心

希腊神话的Argonauts勇敢的锋利的岩石,汹涌的海洋,魔法和怪物寻找包含的金色羊毛。在能源部保险米国家加速器实验室的新机器人项目将分享同名和冒险精神。

Argonaut的使命将通过在Minus-193摄氏度的液体氩气海洋中观察超克粒子探测器内的条件 - 像土星和木星的一些卫星一样冷。该项目于3月份提供资金,旨在创建一个最耐冷酷的机器人,不仅具有粒子物理学的潜在应用,还具有深度空间探索。

氩,一种在我们周围空气中常见的元素,已经成为科学家探索更好地了解宇宙的关键成分。以液态形式,氩被用来研究一种叫做中微子在费米实验室的几个实验中,包括MicroBooNE, ICARUS, SBND和下一代国际深地下中微子实验。液体氩也被用于暗物质探测器如DEAP 3600, ARDM, MiniCLEAN和DarkSide-50。

液体氩有许多津贴。它是密集的,这增加了臭名昭着的冷漠中微子会互动的机会。它是惰性的,所以可以记录通过中微子相互作用自由敲击的电子以创建粒子轨迹的3D图片。这是透明的,所以研究人员还可以收集光线“时间戳”的互动。它也相对便宜 - 一个巨大的加法,因为沙丘将使用70,000吨的东西。

但液氩探测器并非没有挑战。为了产生高质量的数据,液体氩必须保持极冷和极纯。这意味着探测器必须与外界隔离,以防止氩气蒸发或被污染。由于访问受限,诊断或解决检测器内部的问题可能很困难。一些液氩探测器,比如欧洲核子研究中心的ProtoDUNE探测器,内部安装了摄像头来寻找气泡或火花等问题。

阿尔戈号的船员跟踪

为了保持低功率需求和避免液氩中的干扰,Argonaut将沿着探测器一侧的轨道缓慢移动。它的主要功能是一个可移动的摄像头,但工程师希望增加其他功能,比如用于小型电子设备维修的可伸缩臂。来源:费米实验室比尔·佩里科

费米实验室的物理学家Jen Raaf说:“有时候用我们自己的眼睛看东西比解释传感器的数据要容易得多。”Jen Raaf在MicroBooNE、LArIAT和DUNE等几个项目中从事液体氩探测器的研究。

当费米实验室的工程师比尔·佩里科(Bill Pellico)想知道是否可以将内部摄像机移动时,阿戈航天员的想法就产生了。机器人摄像机听起来可能很简单,但在液体氩气环境中设计它却面临着独特的挑战。

所有的电子设备都必须能够在极冷、高电压的环境下工作。所有的材料都必须经受住从室内到低温的冷却,同时又不能收缩太多或变得易碎或散架。任何运动部件必须在没有油污的情况下平稳移动,否则会污染检测器。

“你不能有一些下降和破坏和脱落,短缺一些东西或污染液体氩气,或者将噪声放入系统中,”Pellico说。

Pellico通过实验室指导研究和发展计划获得了Argonaut项目的资金,该计划旨在促进能源部国家实验室的创新科学和工程研究。在这个项目的早期阶段,这个团队——Pellico,机械工程师Noah Curfman和Mayling Wong-Squires,以及中微子科学家Flavio Cavanna——专注于评估组件和基本设计方面。第一个目标是证明在低温环境中与机器人通信、供电和移动是可能的。

“我们想证明我们可以在最小的最小相机中,可以在液体氩气中移动和倾斜的相机,而不会污染液体氩气或导致任何气泡,以可靠性显示它可以持续的可靠性探测器的生命,“克法夫曼说。

该计划是通过光纤电缆将Argonaut电动机,以免干扰探测电子器件。拳头大小的机器人只能获得5到10瓦的电力来移动和与外界沟通。

将沿着探测器侧面沿轨道移动Argonaut的电机将位于冷环境之外。相机将在冷液体内部移动,移动非常缓慢;但这并不是一件坏事 - 过快会在氩气中产生不必要的干扰。

“随着我们获得更高级的,我们将开始增加更多程度的自由和更多的轨道,”Curfman说。

Argonaut未来的其他升级可能包括一个温度探头或电压监控器,可移动的镜子和激光校准光探测器,甚至是可伸缩臂与工具用于小型电子维修。

Argonaut正在推进的很多技术将广泛适用于其他低温环境,包括太空探索。这个项目已经引起了一些大学和NASA工程师的兴趣。

深空的机器人“将转到远程位置,在那里他们有很小的力量,寿命必须在我们的探测器中像20多年一样,并且他们必须在低温温度下运行,”Pellico说。Argonaut团队可以通过现有的机器人专业知识与Fermilab在低温系统中的专业知识上建立,以推动冷机器人的界限。

即使是主动间隙空间探针,如盗贼1和2的外部也不会达到像液体氩气的温度,它们使用热电加热器使其推进器和科学仪器保持足够温暖以便操作。

“从来没有一个机器人系统能在这样的温度下工作,”pelico说。“NASA从来没做过;我们从未这样做过;据我所知,还没有人这么做过。”

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