US Department of Energy's (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har passerat halvvägs i den fleråriga processen att tillverka viktiga supraledande kablar som en del av ett projekt för att uppgradera Large Hadron Collider (LHC) på CERN. Denna uppgradering, pågår nu, kommer att kraftigt öka anläggningens kollisionshastighet och dess vetenskapliga produktivitet.

High-Luminosity LHC Accelerator Upgrade Project, eller HL-LHC AUP, är en multiinstitutionell, USA:s bidrag till uppgraderingen av LHC -anläggningen. Projektet har sitt huvudkontor vid DOE:s Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab).

En grupp mycket kraftfullare fokusmagneter, känd som "inre trilling, "planeras att installeras på vardera sidan av LHC:s interaktionspunkter, där de separata protonstrålarna kolliderar. Genom att pressa strålarna till högre densitet vid interaktionspunkterna, dessa starkare fokuseringsmagneter ökar antalet kollisioner under maskinens livstid med minst en faktor 10. Detta kommer att avsevärt öka möjligheterna att upptäcka ny fysik.

Spolarna för HL-LHC AUP fokuseringsmagneter är gjorda av avancerad niob-tenn (Nb3Sn) superledare i en kopparmatris. Ett av Berkeley Labs viktigaste bidrag är att tillverka alla kablar som ska användas i magneterna. Uppgiften nådde halvvägs i januari 2021.

Fermilabs Giorgio Apollinari, AUP -projektledare, sa om milstolpen, "Detta är en stor" vändning av bojen "-prestation eftersom det gör att projektet kan fortsätta obehindrat i produktionen av dessa kritiska HL-LHC AUP-magneter."

Berkeley Lab -projektledare och Berkeley Center for Magnet Technology (BCMT) Director Soren Prestemon tillade, "Detta halvvägsmärke är en enorm milstolpe för vårt kabelteam, som har levererat exceptionellt för projektet-ännu mer anmärkningsvärt med tanke på komplexiteten i arbetet på plats under COVID-begränsningar. "

Den övergripande AUP beviljades nyligen Critical Decision 3 (CD-3) godkännande i DOE:s projektledningsprocess, ger klartecken för serieproduktion av själva magneterna. Kabeltillverkning hade redan påbörjats enligt ett ledningsmetod där artiklar med lång ledtid, såsom trådupphandling och kabeltillverkning, fick godkännanden att gå vidare innan serieproduktionen av magneterna.

"AUP -projektet utnyttjar omfattande expertis och kapacitet inom avancerad Nb3Sn -magnetteknik på Berkeley Lab, "sa Cameron Geddes, chef för Berkeley Labs division Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP). ATAP och Engineering Division bildade BCMT för att gå samman i avancerad magnetdesign. Geddes tillade, "Denna kritiska milstolpe visar laboratoriets engagemang för projektet och teamets unika förmåga att leverera sina utmanande krav."

Från ledare till kabel till magnet

De flesta människor har sett eller till och med byggt elektromagneter gjorda av spolar av individuell tråd, en välkänd vara på skolmässor och konsumentprodukter. Dock, det finns många anledningar till att dessa inte skulle fungera bra i acceleratormagneter. Istället, acceleratorer använder kablar bildade av flera strängar av supraledande tråd. Kablarna är platta, med ett rektangulärt eller mycket lätt trapetsformat "nyckelstenat" tvärsnitt, en profil som kallas "Rutherford -stil" efter Rutherford Appleton Laboratory i England, som utvecklade designen.

Rutherford -kablar är flexibla när de är böjda på sitt breda ansikte, vilket gör lindning av spole lätt. Dock, trådarna vid kabelns tunna kanter deformeras kraftigt och deras termoelektriska stabilitet kan försämras, så formningen måste övervakas och kontrolleras noggrant.

Det övergripande AUP -teamet stöds av DOE Office of Science och består av sex amerikanska laboratorier och två universitet:Fermilab, Brookhaven National Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory, SLAC National Accelerator Laboratory, och Thomas Jefferson National Accelerator Facility (alla nationella laboratorier från DOE), tillsammans med National High Magnetic Field Laboratory, Old Dominion University, och Florida State University. Var och en ger unika styrkor för utmaningarna att designa, byggnad, och testa dessa avancerade magneter och deras komponenter. Industripartners levererar den supraledande tråden.

Berkeley Lab skickar kablarna till Fermilab eller Brookhaven för att tillverkas i spolar och reageras (värmebehandlas) för att aktivera deras supraledning. De reagerade spolarna returneras till Berkeley Lab, som använder dem för att göra quadrupole magneter. Den här senaste artikeln ger en djupgående titt på hur flera institutioner använder sina kompletterande styrkor för att göra magneter för AUP.

"Dessa magneter är en kulmen på mer än 15 års teknikutveckling, börjar med LARP (LHC Accelerator Research Program) samarbete, "sa Dan Cheng från Berkeley Labs Engineering Division.

"Eagle eyes för kvalitet och stora samarbetshjärtor"

Berkeley Lab, som firar 90 -årsjubileum i år, har en lång historia av nationellt och internationellt samarbete för att designa och bygga acceleratorer, och dess superledande magnetkompetens går tillbaka till början av 1970-talet.

Planetmotorns kabelmaskin vid Berkeley Lab designades och installerades i början av 1980-talet och har fått kontinuerliga uppgraderingar genom åren. Det har bidragit till ett stort antal DOE -projekt som Fermilab Tevatron -uppgraderingen och sedan den tidiga utvecklingen av Superconducting Super Collider. I dag, kabelanläggningen är en viktig infrastruktur för Berkeley Labs superledande magnetaktiviteter.

Kablarna har också en serie kvalitetssäkringssystem i världsklass för övervakning av kabelegenskaper. Dessa inkluderar en in-line kabelmätningsmaskin som kan mäta en kabels dimensionella parametrar vid ett inställt tryck, ett in-line kamerasystem som kan registrera varje millimeter av alla fyra sidorna av de tillverkade kablarna och utföra bildanalys, och ett specialdesignat kryokylare-system för reproducerbar mätning av viktiga parametrar.

Människorna som monterar och använder denna utrustning finns i Berkeley Labs avdelningar ATAP och Engineering. Ian Pong, en personalvetare i ATAP och Berkeley Lab kablingschef för HL-LHC AUP, sa "Vi har inte bara utrustning i världsklass för att tillverka toppmoderna supraledande kablar, men viktigast av allt, ett team i världsklass med människor som har örnögon för kvalitet och stora samarbetshjärtor för projekt. "

Apollinari sa:"Berkeley Lab-gruppen som leds av Ian har varit enastående när det gäller produktionen av Nb3Sn-kablar av hög kvalitet, uppfyller inte bara de krävande kraven på kvalitetssäkring och kontroll utan uppnår ett produktionsutbyte mycket utöver det förväntade avkastningen för denna typ av aktiviteter. Detta är uppenbarligen till stor hjälp för AUP -projektet, både ekonomiskt och ur schemalagd synvinkel. "