Het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) is halverwege het meerjarige proces van fabricage van cruciale supergeleidende kabels als onderdeel van een project om de Large Hadron Collider (LHC) bij CERN te upgraden. Deze upgrade, nu bezig, zal het aanvaringspercentage en de wetenschappelijke productiviteit van de faciliteit aanzienlijk verhogen.

Het High-Luminosity LHC Accelerator Upgrade Project, of HL-LHC-AUP, is een multi-institutionele, Amerikaanse bijdrage aan de upgrade van de LHC-faciliteit. Het hoofdkantoor van het project is gevestigd in het Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) van DOE.

Een groep veel krachtigere focusmagneten, bekend als de "innerlijke triplet, " zijn gepland om aan weerszijden van de interactiepunten van de LHC te worden geïnstalleerd, waar de afzonderlijke protonenbundels botsen. Door de bundels samen te drukken tot een hogere dichtheid op de interactiepunten, deze sterkere focusmagneten zullen het aantal botsingen gedurende de levensduur van de machine met minstens een factor 10 verhogen. Dit zal de mogelijkheden om nieuwe fysica te ontdekken aanzienlijk vergroten.

De spoelen voor de HL-LHC AUP-focusmagneten zijn gemaakt van geavanceerde niobium-tin (Nb3Sn) supergeleider in een koperen matrix. Een van de belangrijkste bijdragen van Berkeley Lab is het fabriceren van alle kabels die in de magneten worden gebruikt. In januari 2021 bereikte de taak de helft.

Giorgio Apollinari van Fermilab, AUP-projectmanager, zei over de mijlpaal, "Dit is een geweldige prestatie, omdat het project hierdoor ongehinderd kan doorgaan met de productie van deze kritische HL-LHC AUP-magneten."

Berkeley Lab projectleider en Berkeley Center for Magnet Technology (BCMT) directeur Soren Prestemon toegevoegd, "Dit halverwege is een geweldige mijlpaal voor ons bekabelingsteam, die uitzonderlijk hebben geleverd voor het project - nog opmerkelijker gezien de complexiteit van het werk op locatie onder COVID-beperkingen."

De algemene AUP kreeg onlangs goedkeuring van Critical Decision 3 (CD-3) in het projectbeheerproces van de DOE, het startsein voor de serieproductie van de magneten zelf. Kabelfabricage was al begonnen onder een managementbenadering waarin artikelen met een lange doorlooptijd, zoals draadaankoop en kabelfabricage, goedkeuringen gekregen om door te gaan vóór de serieproductie van de magneten.

"Het AUP-project maakt gebruik van uitgebreide expertise en mogelijkheden in geavanceerde Nb3Sn-magneettechnologie bij Berkeley Lab, " zei Cameron Geddes, directeur van de Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP) Division van Berkeley Lab. ATAP en de Engineering Division hebben de BCMT opgericht om de krachten te bundelen in geavanceerd magneetontwerp. Geddes heeft toegevoegd, "Deze cruciale mijlpaal toont de toewijding van het Lab aan het project en het unieke vermogen van het team om aan de uitdagende eisen te voldoen."

Van geleider naar kabel naar magneet

De meeste mensen hebben elektromagneten gezien of zelfs gebouwd die gemaakt zijn van spoelen van individuele draad, een bekend item op wetenschapsbeurzen op school en in consumentenproducten. Echter, er zijn veel redenen waarom deze niet goed zouden werken in versnellermagneten. In plaats daarvan, versnellers gebruiken kabels die zijn gevormd uit meerdere strengen supergeleidende draad. De kabels zijn plat, met een rechthoekige of zeer licht trapeziumvormige "keystoned" doorsnede, een profiel dat bekend staat als "Rutherford-stijl" naar het Rutherford Appleton Laboratory in Engeland, die het ontwerp heeft ontwikkeld.

Rutherford-kabels zijn flexibel wanneer ze op hun brede gezicht worden gebogen, wat het opwinden van de spoel gemakkelijk maakt. Echter, de strengen aan de dunne randen van de kabel zijn sterk vervormd en hun thermo-elektrische stabiliteit kan worden aangetast, dus de vormgeving moet zorgvuldig worden gecontroleerd en gecontroleerd.

Het algemene AUP-team wordt ondersteund door het DOE Office of Science en bestaat uit zes Amerikaanse laboratoria en twee universiteiten:Fermilab, Brookhaven Nationaal Laboratorium, Lawrence Berkeley Nationaal Laboratorium, SLAC Nationaal Versneller Laboratorium, en Thomas Jefferson National Accelerator Facility (alle nationale DOE-laboratoria), samen met het National High Magnetic Field Laboratory, Oude Dominion-universiteit, en Florida State University. Elk brengt unieke sterke punten met zich mee voor de uitdagingen van het ontwerpen, gebouw, en het testen van deze geavanceerde magneten en hun componenten. Industriële partners leveren de supergeleidende draad.

Berkeley Lab verscheept de kabels naar Fermilab of Brookhaven om te worden gefabriceerd tot spoelen en te reageren (warmtebehandeld) om hun supergeleiding te activeren. De gereageerde spoelen worden teruggestuurd naar Berkeley Lab, die ze gebruikt om quadrupoolmagneten te maken. Dit recente artikel geeft een diepgaand inzicht in hoe meerdere instellingen hun complementaire sterke punten gebruiken om magneten voor de AUP te maken.

"Deze magneten zijn het resultaat van meer dan 15 jaar technologische ontwikkeling, te beginnen met de LARP (LHC Accelerator Research Program) samenwerking, ", zegt Dan Cheng van de Engineering Division van Berkeley Lab.

'Adelaarsogen voor kwaliteit en grote samenwerkingsharten'

Berkeley-lab, die dit jaar zijn 90e verjaardag viert, heeft een lange geschiedenis van nationale en internationale samenwerking in het ontwerpen en bouwen van versnellers, en zijn expertise op het gebied van supergeleidende magneten gaat terug tot het begin van de jaren zeventig.

De bekabelingsmachine met planetaire beweging in Berkeley Lab is ontworpen en geïnstalleerd in het begin van de jaren tachtig en heeft in de loop der jaren voortdurend upgrades ondergaan. Het heeft bijgedragen aan een groot aantal DOE-projecten, zoals de upgrade van Fermilab Tevatron en vervolgens de vroege ontwikkeling van de Superconducting Super Collider. Vandaag, de bekabelingsfaciliteit is de belangrijkste infrastructuur voor de supergeleidende magneetactiviteiten van Berkeley Lab.

De bekabelingsfaciliteit beschikt ook over een reeks kwaliteitsborgingssystemen van wereldklasse om kabeleigenschappen te bewaken. Deze omvatten een in-line kabelmeetmachine die de dimensionale parameters van een kabel kan meten bij een ingestelde druk, een in-line camerasysteem dat elke millimeter van alle vier de zijden van de gefabriceerde kabels kan opnemen en beeldanalyse kan uitvoeren, en een speciaal ontworpen cryokoelersysteem voor het reproduceerbaar meten van belangrijke parameters.

De mensen die deze apparatuur assembleren en gebruiken, bevinden zich in de ATAP- en Engineering-divisies van Berkeley Lab. Ian Pong, een stafwetenschapper bij ATAP en Berkeley Lab bekabelingsmanager voor de HL-LHC AUP, zei:"We hebben niet alleen apparatuur van wereldklasse voor het vervaardigen van ultramoderne supergeleidende kabels, maar het belangrijkste, een team van wereldklasse met adelaarsogen voor kwaliteit en een groot hart voor projecten."

Apollonari zei, "De Berkeley Lab-groep onder leiding van Ian is uitstekend geweest in de hoogwaardige productie van de Nb3Sn-kabels, niet alleen voldoen aan de veeleisende kwaliteitsborgings- en controlevereisten, maar ook een productierendement behalen dat veel hoger ligt dan het verwachte rendement voor dit soort activiteiten. Dit is duidelijk een grote hulp voor het AUP-project, zowel economisch als vanuit het oogpunt van de planning."