De Large Hadron Collider (LHC) heeft specifieke typen magneten nodig om de deeltjesbundels op de botspunten nauwkeurig te controleren. Deze magneten worden eindfocusserende quadrupolen genoemd en worden geïnstalleerd in de interactiegebieden van de LHC rond de experimenten. Voor de upgrade van de LHC (HL-LHC) met hoge helderheid moeten de eindfocusmagneten bij ATLAS en CMS worden vervangen. Tests bij CERN hebben nu bevestigd dat de quadrupoolmagneten die nieuw zijn ontworpen om ze te vervangen, zullen werken.

In tegenstelling tot de LHC-magneten, die zijn gemaakt van niobium-titanium (Nb-Ti), zijn de nieuwe magneten gemaakt van een uitdagender materiaal:niobium-tin (Nb3Sn). "Gezien de broosheid van Nb3Sn en het feit dat de spoelen erg stijf zijn, vereist het assembleren van Nb3Sn-magneten veel aandacht", legt José Miguel Jiménez, hoofd van de afdeling Technologie, uit. "Dit maakt het een veel grotere uitdaging dan voor Nb-Ti-magneten."

De afdeling Technologie van CERN ontwikkelt een serie van tien magneten (acht, plus twee reservemagneten), elk met een lengte van 7,2 meter. Dit werk bouwt voort op het HL-LHC Accelerator Upgrade Project (AUP), gevestigd in de VS, dat momenteel 20 (16, plus vier reserve) quadrupoolmagneten produceert, elk 4,2 meter lang.

Recente tests bij Fermilab hebben aangetoond dat deze magneten werken met een doelstroom van zowel 1,9 Kelvin (-271,25°C) als 4,5 Kelvin (-268,65°C), en voldoen daarmee aan de projectvereisten. Het CERN-team vertrouwt op hetzelfde ontwerp en vergelijkbare productieprocedures als AUP, maar schaalt deze op naar magneten van 7,2 meter lang.

"De bijdrage van onze Amerikaanse collega's heeft een belangrijke rol gespeeld bij de ontwikkeling van het ontwerp en de procedures voor deze magneten, en de regelmatige kruiscontroles van productie- en testgegevens hebben de teams aan beide zijden van de Atlantische Oceaan geholpen veel uitdagingen te overwinnen", zegt Ezio Todesco , die verantwoordelijk is voor de HL-LHC-interactieregiomagneten.

De succesvolle test op CERN, die liep van augustus tot oktober, bereikte de doelstroom van 16,53 kA bij zowel 1,9 K als 4,5 K. De doelstroom komt overeen met de 7 TeV LHC-operatie, plus een marge van 300 A. Hoewel de werking gepland is op 1,9 K, bevestigt de mogelijkheid om de doelstroom bij 4,5 K te bereiken de robuustheid van het ontwerp en een comfortabele werkingsmarge voor de HL-LHC en daarbuiten.

Dit is de derde magneet met volledige lengte die wordt getest als onderdeel van een herstelplan waartoe werd besloten nadat prestatiebeperkingen waren waargenomen bij de eerste twee prototypes. De andere magneten vertoonden tijdens het testen geen tekenen van degradatie, maar bleven altijd beperkt tot onder de doelstroom bij gebruik bij 4,5 K. Het team van CERN stopte de productie om deze beperking te onderzoeken. Door het ontwerp van de buitenschaal te verbeteren, de piekspanning op de magneet tijdens de assemblage van de spoel te verminderen en de parameters van het productieproces van de spoel te veranderen, zijn de beperkingen geëlimineerd en heeft de derde magneet zijn voorgangers overtroffen.

"Bedankt aan alle bijdragers voor de uitstekende resultaten en het efficiënte teamwerk en voor het afleiden van praktische en robuuste technische oplossingen om de niobium-tin-technologie naar het volwassenheidsniveau te brengen dat vereist is voor toepassingen met versnellermagneet", zegt Arnaud Devred, groepsleider van TE-MSC.

"Dit is een fantastisch resultaat voor het project", zegt Oliver Brüning, projectleider van HL-LHC. "Het betekent dat niobium-tin levensvatbaar is voor 7 meter lange versnellermagneten en een faciliterende technologie is voor HL-LHC."

Geleverd door CERN