Toekomstige versnellerprojecten, waaronder de upgrade met hoge helderheid van de Large Hadron Collider, zullen vertrouwen op niobium-tin (Nb₃ Sn) legeringen voor hun supergeleidende componenten, zoals elektromagneten. De hogere supergeleidende eigenschappen van dit materiaal zullen van cruciaal belang zijn bij het verbeteren van de prestaties van onze ontdekkingsmachines, maar er zijn strenge tests nodig om de veerkracht van niobium-tincomponenten aan te tonen, aangezien bekend is dat de legering brozer is dan niobium-titanium, waarvan huidige LHC-componenten worden gemaakt.

Dit maakt de duurtest van een supergeleidende magneet op ware grootte op basis van niobium-tin-technologie in Brookhaven National Laboratory, in de Verenigde Staten, een cruciale stap op weg naar de HL-LHC. Na vergelijkbare succesvolle tests op kortere versies van de magneet, bevestigen de positieve resultaten van deze test de levensvatbaarheid van niobium-tinmagneten in de moeilijke omgeving van deeltjesversnellers, wat een duidelijkere lucht inluidt voor het High-Luminosity LHC (HL-LHC) -project en daarbuiten.

De magneet in kwestie is een van de triplet quadrupolen die in de Verenigde Staten zijn geproduceerd en getest als onderdeel van een samenwerking met CERN die voorziet in de bijdrage van in totaal 20 magneten voor de HL-LHC. Deze 4,2 meter lange supergeleidende magneten, samen met hun langere tegenhangers die momenteel worden geprototypeerd bij CERN, zullen protonenbundels strakker rond de ATLAS- en CMS-botsingspunten concentreren om de tienvoudige toename van de geïntegreerde helderheid (het aantal botsingen) mogelijk te maken. door de HL-LHC.

Koud, warm, koud, warm, koud, warm... in de loop van twee jaar onderging de quadrupool vijf thermische cycli, waarvan er drie plaatsvonden in de lente van dit jaar. Elk van deze cycli onderwerpt de magneten aan een temperatuurschommelingen van 300 °C:tot 1,9 K - de temperatuur die nodig is om hun supergeleidende eigenschappen te ontketenen - wanneer ze in bedrijf zijn en weer tot kamertemperatuur, waar magneten regelmatig naar toe worden gebracht voor technische operaties. Van dit proces is bekend dat het veeleisend is voor magneten, waarvan de materialen anders uitzetten en samentrekken bij temperatuurverandering. De niobium-tin quadrupool onderging vijf van deze thermische cycli zonder enig teken van prestatievermindering.

Thermische cycli zijn slechts een deel van het plaatje:veerkracht tegen uitdoving vormt het andere deel van de duurzaamheidseisen, zoals getest in Brookhaven. Een quench is een onomkeerbare overgang van supergeleidende naar normale toestand, waarbij de in de magneet opgeslagen energie veilig door de hele wikkeling moet worden afgevoerd en op kamertemperatuur moet worden gebracht. In april en mei 2022, gelijktijdig met de laatste twee thermische cycli, onderging de magneet elke werkdag twee uitgelokte uitdovingen, in totaal vijftig uitdovingen in twee maanden. Magneten zijn ontworpen om dergelijke gebeurtenissen te weerstaan, maar het testen van hun veerkracht is de sleutel tot een soepele werking van het gaspedaal. En nadat de bluskachel vijftig keer was gestookt op de onschuldige quadrupool bij Brookhaven, bleek hij zo goed als nieuw.

"Dit is de eerste duurtest die met succes is uitgevoerd op een Nb3Sn 4,2-m lange magneet, en ik ben verheugd aan te kondigen dat de resultaten de veerkracht en duurzaamheid van deze technologie verder bevestigen", legt Giorgio Apollinari, hoofd van het Accelerator Upgrade Project ( AUP) bij Fermilab. Naast het vaststellen van het uithoudingsvermogen van de magneet, bleek uit de tests dat deze in staat was om zijn operationele piekveld van 11,4 T tot 4,5 K te behouden, wat de magneet een werkingsmarge geeft die veel groter is dan de vereisten die worden opgelegd door de hitte van de botsingsresten afkomstig van de ATLAS en CMS-experimenten.

"We hebben gevraagd om deze tests eerder uit te voeren dan verwacht in het oorspronkelijke schema vanwege de speciale controle waaronder de niobium-tin-technologie staat, en onze Amerikaanse vrienden hebben geleverd. Hiervoor, voor hun reactievermogen en aanpassingsvermogen, zijn we buitengewoon dankbaar, ", zegt Ezio Todesco, die de leiding heeft over de HL-LHC-interactieregiomagneten. De openheid en het vertrouwen tussen de Europese en Amerikaanse wetenschappelijke gemeenschappen waren de sleutel tot deze prestatie, en de beslissing om dezelfde magneten aan beide kanten van de oceaan te bouwen bleek eens te meer de juiste weg te zijn, aangezien beide partijen konden leren van de andermans prestaties en uitdagingen. + Verder verkennen

Het kroonjuweel van de HL-LHC-magneten