Bij het trainen voor een marathon, hardlopers moeten geleidelijk de afstand van hun runs opvoeren. Ze weten dat hun runs in de begindagen van de training niet bepalen waartoe ze op een dag in staat zullen zijn; ze bouwen een sterke basis die hen zal helpen hun volledige potentieel te bereiken.

De magneten van autolengte die deeltjes rond de Large Hadron Collider sturen, doorlopen een soortgelijk proces. Wetenschappers moeten tot het uiterste gaan, steeds weer, totdat ze enorme hoeveelheden elektrische stroom aankunnen.

"Deze magneten zijn grote technische wonderen, " zegt wetenschapper Kathleen Amm, directeur van de Magnet Division van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie in New York. "Maar één ding kunnen we niet doen, ze direct in het gaspedaal trappen. Ze moeten getraind worden."

wetenschappers, ingenieurs en technici in Brookhaven trainen nu magneten voor een nog moeilijkere taak:het richten en focussen van deeltjes in een versneller van de volgende generatie, de krachtige High-Luminosity LHC bij CERN. Gelukkig, deze magneten zijn niet alleen bestand tegen de training, maar krijg ook de mogelijkheid om nog meer stroom te voeren dan voorheen.

Blikseminslagen weerstaan

Met behulp van een nieuw type supergeleidende draad op basis van niobium-3-tin, Nb3Sn, de HL-LHC-versnellermagneten zullen ongeveer 40% meer elektrische stroom kunnen geleiden dan de vorige iteratie van magneten voor de LHC. Elk zal ongeveer 16 dragen, 500 ampère - ongeveer evenveel als een kleine bliksemschicht. De gemiddelde laptop, als referentie, verbruikt minder dan 5 ampère.

LHC-magneten zijn gemaakt van materialen die op een belangrijke manier verschillen van de materialen die worden gebruikt om een ​​laptop te maken:ze zijn supergeleidend. Dat betekent dat ze een elektrische stroom kunnen voeren zonder energie te verliezen. Ze produceren geen warmte omdat ze geen elektrische weerstand hebben.

Maar er is een addertje onder het gras:zowel de oude als de nieuwe LHC-magneten verkrijgen de eigenschap van supergeleiding alleen wanneer ze tot extreem lage temperaturen worden afgekoeld. Binnen de LHC, ze worden gehouden op 1,9 kelvin (min 456,25 Fahrenheit), net boven het absolute nulpunt.

Zelfs dat is niet altijd genoeg:een kleine onvolkomenheid kan ertoe leiden dat een magneet plotseling zijn supergeleidende eigenschappen verliest in een proces dat afschrikken wordt genoemd.

"Een quench betekent dat een deel van de supergeleider normaal wordt, " zegt wetenschapper Sandor Feher, die toezicht houdt op het testen en trainen van HL-LHC-magneten. "De temperatuur begint te stijgen, en deze warmte verspreidt zich naar andere delen van de magneet."

Een quench kan desastreus zijn. "Als een supergeleider zijn supergeleidende eigenschappen verliest, het gaat van nul elektrische weerstand naar een zeer hoge elektrische weerstand, " zegt Amm. "In de begindagen [van de ontwikkeling van supergeleiders], magneten zouden door deze snelle overgang opbranden."

Maar deze oververhitting betekent niet altijd een ramp. Tijdens magneettraining gecontroleerde quenches induceren nuttige structurele veranderingen op microscopisch niveau die de prestaties van een magneet verbeteren.

De anatomie van een magneet

Toen hij 12 jaar oud was, Martel Walls won een lokale kunstwedstrijd met een gedetailleerde en realistische tekening van een gerechtsgebouw in Bloomington, Illinois. "Mijn tekening belandde in het gerechtsgebouw, "zegt hij. "Sindsdien, Ik wist dat ik in een veld wilde werken dat mijn oog voor detail en vaste hand zou gebruiken."

Walls' oog voor complexe vormen leidde hem uiteindelijk naar zijn baan als hoofdtechnicus die verantwoordelijk was voor de ontwikkeling van magnetische spoelen bij Fermi National Accelerator Laboratory in Illinois, waar teams zowel magneten produceren als testen die bestemd zijn voor de HL-LHC.

De magneten die Walls en zijn team in elkaar zetten, bestaan ​​uit 450 meter (ongeveer 1480 voet) Nb3Sn supergeleidende kabel die rond twee in elkaar grijpende steunstructuren is gewikkeld. De spoelen zijn ongeveer 4,5 meter (bijna 15 voet) lang. Elke centimeter kabel wordt zowel voor als tijdens het wikkelen gecontroleerd.

De spoelen worden vervolgens verwarmd tot 665 graden Celsius (1229 graden Fahrenheit) gedurende een verwarmingscyclus van 11 dagen; een proces dat de gewone niobium-tinkabel omzet in een supergeleider, maar maakt het ook ongelooflijk broos. "Het wordt zo breekbaar als ongekookte spaghetti, ', zegt Muren.

Ze zo voorzichtig mogelijk behandelen, technici solderen meer componenten op de spoelen voordat ze in epoxy worden gedrenkt. De laatste coils worden verscheept naar het Lawrence Berkeley National Laboratory in Californië, waarbij meerdere spoelen aan elkaar worden gemonteerd en vervolgens in een sterke stalen behuizing worden gewikkeld. Ze worden vervolgens naar Brookhaven verscheept om aan hun trainingsregime te beginnen.

Als het Brookhaven-testteam de magneten op elektriciteit aansluit, de spoelen duwen en trekken elkaar met enorme krachten door de hoge magnetische velden.

Zelfs een kleine beweging in de orde van grootte van slechts 10 tot 20 micron - ongeveer de breedte van een mensenhaar - kan voldoende zijn om een ​​uitdoving teweeg te brengen.

Trainingsregime

Vroegtijdig, ingenieurs realiseerden zich dat een goed gebouwde magneet deze microscopische bewegingen kon onthouden. Wanneer een onstabiel onderdeel in een comfortabelere positie verschuift, het onderdeel blijft dan normaal zitten. Het resultaat is een magneet die steviger is de volgende keer dat hij wordt opgestart.

Tijdens de training, wetenschappers en ingenieurs verhogen geleidelijk de elektrische stroom die in de magneet circuleert. Als een deel van de magneet gaat bewegen of energie vrijgeeft, het doet dit in een gecontroleerde laboratoriumomgeving in plaats van een moeilijk toegankelijk ondergronds versnellercomplex.

De magneettraining bij Brookhaven begint met het onderdompelen van de magneet in een bad van vloeibaar helium. Als het eenmaal is afgekoeld, het testteam introduceert en verhoogt geleidelijk de elektrische stroom.

Zodra er een blussing is, de elektriciteit wordt automatisch uit de magneet geleid. Het vloeibare heliumbad verdampt, de hitte van de blussing met zich meedragend. Na elke quench, het helium wordt teruggewonnen om opnieuw te worden gebruikt, en het proces begint opnieuw.

"Ons doel is drie uitdovingen per magneet per dag, Feher zegt. "We beginnen rond 5 of 6 uur 's ochtends en werken in ploegen tot 6 of 7 uur 's avonds."

Beetje bij beetje, het Brookhaven-testteam stelt de magneet bloot aan steeds hogere stromen.

"Tijdens magneet R&D, we zouden 50 tot 60 quenches kunnen zien, "Amm zegt. "Als we in productie gaan, het doel is om een ​​minimum aantal uitdovingen te zien, rond 14 of 15, voordat we op het gewenste veldniveau komen."

Zodra de training is voltooid, dat wil zeggen, de magneet kan op de gewenste stroom werken zonder uit te doven - hij wordt teruggestuurd naar Fermilab voor verdere uitrusting en testen. De laatste magneten gaan dan naar CERN.

Volgens Amm, ontwerpen, magneten bouwen en voorbereiden voor de upgrade van de LHC is meer dan toegepaste natuurkunde:het is een vorm van vakmanschap.

"Daar komt de kunst samen met de wetenschap, "zegt ze. "Je kunt zoveel wetenschap en techniek doen, maar uiteindelijk moet je veel magneten bouwen en testen voordat je de goede plek begrijpt."