Framtida acceleratorprojekt, inklusive högljusuppgraderingen av Large Hadron Collider, kommer att förlita sig på niob-tenn (Nb₃ Sn) legeringar för deras supraledande komponenter, såsom elektromagneter. De högre supraledande förmågorna hos detta material kommer att vara nyckeln till att öka prestandan hos våra upptäcktsmaskiner, men stränga tester är nödvändiga för att demonstrera motståndskraften hos niob-tennkomponenter, eftersom legeringen är känd för att vara sprödare än niob-titan, varav nuvarande LHC-komponenter tillverkas.

Detta gör uthållighetstestet av en supraledande magnet i full storlek baserad på niob-tennteknologi vid Brookhaven National Laboratory, i USA, till ett kritiskt steg på vägen mot HL-LHC. Efter liknande framgångsrika tester på kortare versioner av magneten, bekräftar testets positiva resultat ytterligare livskraften hos niob-tennmagneter i den prövande miljön för partikelacceleratorer, vilket förebådar klarare himmel för projektet High-Luminosity LHC (HL-LHC) och längre fram.

Magneten i fråga är en av triplettkvadrupolerna som har producerats och testats i USA som en del av ett samarbete med CERN som förutser bidraget av totalt 20 magneter för HL-LHC. Dessa 4,2 meter långa supraledande magneter, tillsammans med deras längre motsvarigheter som för närvarande prototyperas på CERN, kommer att fokusera protonstrålar tätare runt ATLAS- och CMS-kollisionspunkterna för att möjliggöra den tiofaldiga ökningen av integrerad ljusstyrka (antalet kollisioner) av HL-LHC.

Kallt, varmt, kallt, varmt, kallt, varmt ... under loppet av två år genomgick fyrpolen fem termiska cykler, varav tre ägde rum under våren i år. Var och en av dessa cykler utsätter magneterna för en temperaturavvikelse på 300 °C:ner till 1,9 K – den temperatur som behövs för att släppa lös deras supraledande förmåga – när de är i drift och tillbaka till rumstemperatur, till vilken magneter regelbundet förs för tekniska operationer. Denna process är känd för att vara krävande för magneter, vars material expanderar och drar ihop sig annorlunda med temperaturförändringen. Niob-tenn-kvadrupolen gick igenom fem av dessa termiska cykler utan några tecken på prestandaförsämring.

Termiska cykler är bara en del av bilden:motståndskraft mot kylningar utgör den andra delen av uthållighetskraven, som testades i Brookhaven. En släckning är en irreversibel övergång från supraledande till normalt tillstånd, under vilken energin som lagras i magneten måste försvinna på ett säkert sätt genom hela lindningen, vilket bringar den till rumstemperatur. I april och maj 2022, samtidigt med de två sista termiska cyklerna, genomgick magneten två provocerade släckningar varje arbetsdag, totalt femtio släckningar på två månader. Magneter är designade för att kunna motstå sådana händelser, men att testa deras motståndskraft är nyckeln för att säkerställa smidig drift av gaspedalen. Och efter att släckvärmaren avfyrades femtio gånger på den oskyldiga fyrpolen vid Brookhaven, blev den bra som ny.

"Detta är det första uthållighetstestet som framgångsrikt genomförts på en Nb3Sn 4,2 m lång magnet, och jag är glad att kunna meddela att resultaten ytterligare validerar denna tekniks motståndskraft och hållbarhet", förklarar Giorgio Apollinari, chef för Accelerator Upgrade Project ( AUP) på Fermilab. Förutom att fastställa magnetens uthållighet avslöjade testerna att den kunde bibehålla sitt operativa toppfält på 11,4 T upp till 4,5 K, vilket ger magneten en funktionsmarginal som vida överstiger de krav som ställs av kollisionsavfallsvärmen som kommer från ATLAS och CMS-experiment.

"Vi bad om att dessa tester skulle utföras tidigare än förväntat i det ursprungliga schemat på grund av den speciella granskning som niob-tennteknologin står under, och våra amerikanska vänner har levererat. För detta, för deras lyhördhet och anpassningsförmåga, är vi oerhört tacksamma, säger Ezio Todesco, som är ansvarig för HL-LHC-interaktionsregionens magneter. Öppenheten och förtroendet mellan de europeiska och amerikanska forskarsamhällena var nyckeln till att uppnå denna prestation, och beslutet att bygga samma magneter på båda sidor om havet visade sig återigen vara rätt väg att gå, eftersom båda sidor kunde lära sig av andras prestationer och utmaningar. + Utforska vidare

HL-LHC-magneternas kronjuvel