Il magnete MQXFA05 entra nel criostato verticale del Brookhaven National Laboratory per il suo test di resistenza. Credito:BNL
I futuri progetti di acceleratore, compreso l'aggiornamento ad alta luminosità del Large Hadron Collider, si baseranno su niobio-stagno (Nb3 Sn) leghe per i loro componenti superconduttori, come gli elettromagneti. Le maggiori capacità superconduttive di questo materiale saranno fondamentali per aumentare le prestazioni delle nostre macchine scoperte, ma sono necessari test rigorosi per dimostrare la resilienza dei componenti niobio-stagno, poiché la lega è nota per essere più fragile del niobio-titanio, di cui vengono prodotti gli attuali componenti dell'LHC.
Ciò rende il test di resistenza di un magnete superconduttore di dimensioni standard basato sulla tecnologia niobio-stagno presso il Brookhaven National Laboratory, negli Stati Uniti, un passaggio fondamentale sulla strada per l'HL-LHC. A seguito di test di successo simile su versioni più brevi del magnete, i risultati positivi di questo test confermano ulteriormente la fattibilità dei magneti niobio-stagno nell'ambiente difficile degli acceleratori di particelle, annunciando cieli più limpidi per il progetto High-Luminosity LHC (HL-LHC) e oltre.
Il magnete in questione è uno dei tripli quadrupoli che sono stati prodotti e testati negli Stati Uniti nell'ambito di una collaborazione con il CERN che prevede il contributo di un totale di 20 magneti per l'HL-LHC. Questi magneti superconduttori lunghi 4,2 metri, insieme alle loro controparti più lunghe attualmente in fase di prototipazione al CERN, concentreranno i fasci di protoni più strettamente attorno ai punti di collisione ATLAS e CMS per consentire l'aumento di dieci volte della luminosità integrata (il numero di collisioni) mirata dall'HL-LHC.
Freddo, caldo, freddo, caldo, freddo, caldo… nel corso di due anni il quadrupolo ha subito cinque cicli termici, tre dei quali avvenuti nella primavera di quest'anno. Ciascuno di questi cicli sottopone i magneti a un'escursione termica di 300 °C:fino a 1,9 K, la temperatura necessaria per liberare le loro capacità di superconduttore, quando sono in funzione e tornano a temperatura ambiente, alla quale i magneti vengono regolarmente portati per le operazioni tecniche. Questo processo è noto per essere impegnativo per i magneti, i cui materiali si espandono e si contraggono in modo diverso al variare della temperatura. Il quadrupolo niobio-stagno ha attraversato cinque di questi cicli termici senza alcun segno di degrado delle prestazioni.
I cicli termici sono solo una parte del quadro:la resilienza all'estinzione costituisce l'altra parte dei requisiti di resistenza, come testato a Brookhaven. Un quench è una transizione irreversibile dallo stato superconduttore allo stato normale, durante il quale l'energia immagazzinata nel magnete deve essere dissipata in modo sicuro attraverso l'intero avvolgimento, portandolo a temperatura ambiente. Ad aprile e maggio 2022, in concomitanza con gli ultimi due cicli termici, il magnete ha subito due quench provocati ogni giorno lavorativo, per un totale di cinquanta quenches in due mesi. I magneti sono progettati per resistere a tali eventi, ma testare la loro resilienza è fondamentale per garantire il buon funzionamento dell'acceleratore. E dopo che il riscaldatore di spegnimento è stato acceso cinquanta volte sull'innocente quadrupolo di Brookhaven, è tornato come nuovo.
"Questo è il primo test di resistenza eseguito con successo su un magnete Nb3Sn lungo 4,2 m e sono felice di annunciare che i risultati stanno ulteriormente convalidando la resilienza e la sostenibilità di questa tecnologia", spiega Giorgio Apollinari, responsabile dell'Accelerator Upgrade Project ( AUP) al Fermilab. Oltre a stabilire la resistenza del magnete, i test hanno rivelato che era in grado di mantenere il suo campo di picco operativo di 11,4 T fino a 4,5 K, il che conferisce al magnete un margine di funzionamento di gran lunga superiore ai requisiti imposti dal calore dei detriti di collisione proveniente dall'ATLAS e Esperimenti CMS.
"Abbiamo chiesto che questi test fossero eseguiti prima di quanto previsto nel programma originale a causa del controllo speciale sotto il quale la tecnologia niobio-stagno è in piedi, e i nostri amici americani hanno consegnato. Per questo, per la loro reattività e adattabilità, siamo estremamente grati, " afferma Ezio Todesco, responsabile dei magneti della regione di interazione HL-LHC. L'apertura e la fiducia tra le comunità scientifiche europee e americane sono state fondamentali per raggiungere questo risultato e la decisione di costruire gli stessi magneti su entrambe le sponde dell'oceano si è rivelata ancora una volta la strada giusta da percorrere, poiché entrambe le parti hanno potuto imparare dal risultati e sfide altrui. + Esplora ulteriormente
