Til venstre:Ian Pong, Berkeley Lab kablingschef for HL-LHC AUP, arbejder med maskinen, der danner adskillige tråde af superledende ledning i "Rutherford-stil" kabler. Kabelføring er afgørende for magneteffekt og en langvarig styrke i Berkeley Labs superledende magnetprogram. Kabelmaskinen blev først udviklet til Superconducting Super Collider-projektet og er siden blevet opdateret med mange state-of-the-art kvalitetssikringsfunktioner designet til at imødekomme DOE-projektbehov. (Kredit:Marilyn Sargent/Berkeley Lab). Til højre:En detalje af kabelmaskinens del:Tråde af superledende ledning trænger ind i rullemaskinerne på kabelmaskinen, hvor tråde af superledende ledning formes og formes til et sten i "Rutherford -stil" -kabel. Kredit:Berkeley Lab
Det amerikanske energiministerium (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har passeret halvvejs i den flerårige proces med at fremstille afgørende superledende kabler som en del af et projekt om opgradering af Large Hadron Collider (LHC) på CERN. Denne opgradering, nu i gang, vil i høj grad øge anlæggets kollisionsrate og dets videnskabelige produktivitet.
High-Luminosity LHC Accelerator Upgrade Project, eller HL-LHC AUP, er en multiinstitutionel, USAs bidrag til opgraderingen af LHC -anlægget. Projektet har hovedsæde på DOE's Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab).
En gruppe af langt mere kraftfulde fokusmagneter, kendt som den "indre trilling, "er planlagt til at blive installeret på hver side af LHC's interaktionspunkter, hvor de separate protonstråler kolliderer. Ved at klemme bjælkerne til højere densitet ved interaktionspunkterne, disse stærkere fokuseringsmagneter øger antallet af kollisioner i løbet af maskinens levetid med mindst en faktor 10. Dette vil øge mulighederne for at opdage ny fysik betydeligt.
Spolerne til HL-LHC AUP fokuseringsmagneterne er fremstillet af avanceret niobium-tin (Nb3Sn) superleder i en kobbermatrix. Et af Berkeley Labs vigtigste bidrag er at fremstille alle de kabler, der skal bruges i magneterne. Opgaven nåede halvvejs i januar 2021.
Fermilabs Giorgio Apollinari, AUP Projektleder, sagde om milepælen, "Dette er en stor 'drejning-af-bøje' præstation, da det gør det muligt for projektet at fortsætte uhindret i produktionen af disse kritiske HL-LHC AUP-magneter."
Berkeley Lab -projektleder og Berkeley Center for Magnet Technology (BCMT) direktør Søren Prestemon tilføjede, "Dette halvvejs mærke er en enorm milepæl for vores kabelteam, der har leveret usædvanligt til projektet-endnu mere bemærkelsesværdigt i betragtning af kompleksiteten ved on-site arbejde under COVID-begrænsninger. "
Den samlede AUP blev for nylig tildelt Critical Decision 3 (CD-3) godkendelse i DOE's projektstyringsproces, giver klarsignal til serieproduktion af selve magneterne. Kabelfremstilling var allerede begyndt under en ledelsesmetode, hvor varer med lang leveringstid, såsom indkøb af ledninger og kabelfremstilling, modtaget godkendelser til at gå i gang inden serieproduktionen af magneterne.
"AUP -projektet udnytter omfattende ekspertise og kapaciteter inden for avanceret Nb3Sn -magnetteknologi på Berkeley Lab, "sagde Cameron Geddes, direktør for Berkeley Labs division Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP). ATAP og Engineering Division dannede BCMT for at gå sammen om avanceret magnetdesign. Geddes tilføjede, "Denne kritiske milepæl viser laboratoriets engagement i projektet og teamets unikke evne til at levere sine udfordrende krav."
Fra leder til kabel til magnet
De fleste mennesker har set eller endda bygget elektromagneter fremstillet af spoler af individuel ledning, en velkendt vare på skolens videnskabsmesser og i forbrugerprodukter. Imidlertid, der er mange grunde til, at disse ikke ville fungere godt i accelerationsmagneter. I stedet, acceleratorer bruger kabler dannet af flere tråde af superledende ledning. Kablerne er flade, med et rektangulært eller meget let trapezformet "keystoned" tværsnit, en profil kendt som "Rutherford -stil" efter Rutherford Appleton Laboratory i England, som udviklede designet.
Dan Cheng arbejder på magnetmontering. Kredit:Marilyn Sargent/Berkeley Lab
Rutherford -kabler er fleksible, når de er bøjet på deres brede ansigt, hvilket gør spolevikling let. Imidlertid, strengene ved kablets tynde kanter er stærkt deformerede, og deres termoelektriske stabilitet kan blive forringet, så formningen skal overvåges og kontrolleres omhyggeligt.
Det samlede AUP -team understøttes af DOE Office of Science og består af seks amerikanske laboratorier og to universiteter:Fermilab, Brookhaven National Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory, SLAC National Accelerator Laboratory, og Thomas Jefferson National Accelerator Facility (alle DOE nationale laboratorier), sammen med National High Magnetic Field Laboratory, Old Dominion University, og Florida State University. Hver bringer unikke styrker til udfordringerne ved at designe, bygning, og afprøvning af disse avancerede magneter og deres komponenter. Industripartnere leverer den superledende ledning.
Berkeley Lab sender kablerne til Fermilab eller Brookhaven for at blive fremstillet i spoler og reageret (varmebehandlet) for at aktivere deres superledning. De reagerede spoler returneres til Berkeley Lab, som bruger dem til at lave firpolsmagneter. Denne nylige artikel giver et indgående kig på, hvordan flere institutioner bruger deres komplementære styrker til at lave magneter til AUP.
"Disse magneter er en kulmination på mere end 15 års teknologiudvikling, startende med LARP (LHC Accelerator Research Program) -samarbejdet, "sagde Dan Cheng fra Berkeley Labs Engineering Division.
"Eagle eyes for kvalitet og store samarbejdshjerter"
Berkeley Lab, som fejrer sit 90 -års jubilæum i år, har en lang historie med nationalt og internationalt samarbejde om at designe og bygge acceleratorer, og dens superledende magnetiske ekspertise går tilbage til begyndelsen af 1970'erne.
Den planetariske bevægelses kabelmaskine på Berkeley Lab blev designet og installeret i begyndelsen af 1980'erne og har modtaget løbende opgraderinger gennem årene. Det har bidraget til et stort antal DOE -projekter såsom Fermilab Tevatron -opgraderingen og derefter den tidlige udvikling af Superconducting Super Collider. I dag, kabelfaciliteten er en vigtig infrastruktur for Berkeley Labs superledende magnetaktiviteter.
Kabelfaciliteten kan også prale af en suite i verdensklasse af kvalitetssikringssystemer til overvågning af kabelegenskaber. Disse inkluderer en in-line kabelmåler, der kan måle et kabels dimensionelle parametre ved et indstillet tryk, et in-line kamerasystem, der kan registrere hver millimeter af alle fire sider af de fremstillede kabler og udføre billedanalyse, og et specielt designet kryokøler-system til reproducerbar måling af nøgleparametre.
De mennesker, der samler og bruger dette udstyr, er i Berkeley Labs afdelinger ATAP og Engineering. Ian Pong, en personaleforsker i ATAP og Berkeley Lab kablingschef for HL-LHC AUP, sagde "Vi har ikke kun udstyr i verdensklasse til fremstilling af topmoderne superledende kabler, men vigtigst af alt, et hold i verdensklasse med mennesker, der har ørneøjne til kvalitet og store samarbejdshjerter til projekter. "
Apollinari sagde, "Berkeley Lab-gruppen ledet af Ian har været fremragende i produktionen af Nb3Sn-kabler i høj kvalitet, opfylder ikke kun de krævende kvalitetssikrings- og kontrolkrav, men opnår et produktionsudbytte meget ud over det forventede udbytte for denne slags aktiviteter. Dette er naturligvis til stor hjælp for AUP -projektet, både økonomisk og tidsmæssigt. "