HL-LHC-magnetudholdenhedstest bekræfter yderligere niobium-tins-resiliens

Fremtidige acceleratorprojekter, herunder højlysstyrkeopgraderingen af ​​Large Hadron Collider, vil stole på niobium-tin (Nb₃ Sn) legeringer for deres superledende komponenter, såsom elektromagneter. De højere superledende evner af dette materiale vil være nøglen til at øge ydeevnen af ​​vores opdagelsesmaskiner, men strenge test er nødvendige for at demonstrere modstandsdygtigheden af ​​niobium-tin-komponenter, da legeringen er kendt for at være mere skør end niobium-titanium, hvoraf nuværende LHC komponenter er lavet.

Dette gør udholdenhedstesten af ​​en superledende magnet i fuld størrelse baseret på niobium-tin-teknologi ved Brookhaven National Laboratory, i USA, til et kritisk skridt på vejen mod HL-LHC. Efter tilsvarende vellykkede test på kortere versioner af magneten bekræfter denne tests positive resultater yderligere levedygtigheden af ​​niobium-tin-magneter i partikelacceleratorernes prøvende miljø, hvilket varsler en klarere himmel for High-Luminosity LHC (HL-LHC)-projektet og videre.

Den pågældende magnet er en af ​​de triplet-quadrupoler, der er blevet produceret og testet i USA som led i et samarbejde med CERN, der forudser bidraget af i alt 20 magneter til HL-LHC. Disse 4,2 meter lange superledende magneter vil sammen med deres længere modstykker, der i øjeblikket fremstilles som prototype på CERN, fokusere protonstråler tættere omkring ATLAS- og CMS-kollisionspunkterne for at tillade den ti-dobbelte stigning i integreret lysstyrke (antallet af kollisioner) målrettet af HL-LHC.

Kold, varm, kold, varm, kold, varm ... i løbet af to år udholdt quadrupolen fem termiske cyklusser, hvoraf tre fandt sted i foråret i år. Hver af disse cyklusser udsætter magneterne for en temperaturudsving på 300 °C:ned til 1,9 K - den temperatur, der er nødvendig for at frigøre deres superledende evner - når de er i drift og tilbage til stuetemperatur, hvortil magneter regelmæssigt bringes til tekniske operationer. Denne proces er kendt for at være krævende for magneter, hvis materialer udvider og trækker sig anderledes sammen med temperaturændringen. Niobium-tin-quadrupolen gennemgik fem af disse termiske cyklusser uden tegn på ydeevneforringelse.

Termiske cyklusser er kun én del af billedet:modstandsdygtighed over for quenches udgør den anden del af udholdenhedskravene, som testet i Brookhaven. En quench er en irreversibel overgang fra superledende til normal tilstand, hvor energien lagret i magneten skal spredes sikkert gennem hele viklingen og bringe den til stuetemperatur. I april og maj 2022, sideløbende med de sidste to termiske cyklusser, gennemgik magneten to provokerede quenches hver arbejdsdag, i alt halvtreds quenches på to måneder. Magneter er designet til at kunne modstå sådanne begivenheder, men at teste deres modstandsdygtighed er nøglen til at sikre en jævn drift af speederen. Og efter at quench-varmeren blev affyret halvtreds gange på den uskyldige quadrupole ved Brookhaven, viste den sig god som ny.

"Dette er den første udholdenhedstest udført med succes på en Nb3Sn 4,2 m lang magnet, og jeg er glad for at kunne meddele, at resultaterne yderligere validerer denne teknologis modstandsdygtighed og bæredygtighed," forklarer Giorgio Apollinari, leder af Accelerator Upgrade Project ( AUP) hos Fermilab. Udover at fastslå magnetens udholdenhed afslørede testene, at den var i stand til at opretholde sit operationelle topfelt på 11,4 T op til 4,5 K, hvilket giver magneten en funktionsmargin, der langt overstiger kravene fra kollisionsaffaldsvarmen, der kommer fra ATLAS og CMS-eksperimenter.

"Vi bad om, at disse tests blev udført tidligere end forventet i den oprindelige tidsplan på grund af den særlige kontrol, som niobium-tin-teknologien står under, og vores amerikanske venner har leveret. For dette, for deres lydhørhed og tilpasningsevne, er vi yderst taknemmelige, " siger Ezio Todesco, som er ansvarlig for HL-LHC-interaktionsregionens magneter. Åbenheden og tilliden mellem de europæiske og amerikanske videnskabelige samfund var nøglen til at levere denne præstation, og beslutningen om at bygge de samme magneter på begge sider af havet viste sig endnu en gang at være den rigtige vej at gå, da begge sider kunne lære af andres præstationer og udfordringer. + Udforsk yderligere

HL-LHC-magneternes kronjuvel