Al entrenar para un maratón, los corredores deben aumentar gradualmente la distancia de sus carreras. Saben que sus carreras en los primeros días de entrenamiento no definen de qué serán capaces algún día; están construyendo una base sólida que les ayudará a alcanzar su máximo potencial.

Los imanes del tamaño de un automóvil que dirigen las partículas alrededor del Gran Colisionador de Hadrones pasan por un proceso similar. Los científicos deben llevarlos al límite, Tiempo y otra vez, hasta que puedan manejar enormes cantidades de corriente eléctrica.

"Estos imanes son grandes maravillas de la ingeniería, "dice la científica Kathleen Amm, director de la División Magnet del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. en Nueva York. "Pero una cosa que no podemos hacer es ponerlos directamente en un acelerador. Tienen que ser entrenados".

Científicos, Los ingenieros y técnicos de Brookhaven ahora están entrenando imanes para una tarea aún más difícil:dirigir y enfocar partículas en un acelerador de próxima generación, el LHC de alta luminosidad encendido en el CERN. Afortunadamente, Estos imanes no solo pueden soportar el entrenamiento, pero también adquiere la capacidad de transportar incluso más corriente que antes.

Soportando rayos

Usando un nuevo tipo de alambre superconductor basado en niobio-3-estaño, Nb3Sn, los imanes del acelerador HL-LHC podrán conducir aproximadamente un 40% más de corriente eléctrica que la iteración anterior de imanes para el LHC. Cada uno llevará alrededor de 16, 500 amperios, aproximadamente tanto como un pequeño rayo. La computadora portátil promedio, para referencia, usa menos de 5 amperios.

Los imanes del LHC están hechos de materiales que son diferentes de los que se utilizan para fabricar una computadora portátil de una manera importante:son superconductores. Eso significa que pueden transportar una corriente eléctrica sin perder energía. No producen calor porque no tienen resistencia eléctrica.

Pero hay un problema:tanto los imanes LHC antiguos como los nuevos obtienen la propiedad de superconductividad solo cuando se enfrían a temperaturas extremadamente bajas. Dentro del LHC, se mantienen a 1,9 kelvin (menos 456,25 Fahrenheit), justo por encima del cero absoluto.

Incluso eso no siempre es suficiente:una pequeña imperfección puede hacer que un imán pierda repentinamente sus propiedades superconductoras en un proceso llamado enfriamiento.

"Una extinción significa que una parte del superconductor se vuelve normal, "dice el científico Sandor Feher, que supervisa las pruebas y la capacitación de los imanes de HL-LHC. "Su temperatura comienza a subir, y este calor se extiende a otras partes del imán ".

Un enfriamiento puede ser ruinoso. "Cuando un superconductor pierde sus propiedades superconductoras, pasa de tener una resistencia eléctrica nula a una resistencia eléctrica muy alta, "Dice Amm." En los primeros días [del desarrollo de superconductores], los imanes se quemarían debido a esta rápida transición ".

Pero este sobrecalentamiento no siempre significa un desastre. Durante el entrenamiento magnético, los apagados controlados inducen cambios estructurales útiles a nivel microscópico que mejoran el rendimiento de un imán.

La anatomía de un imán

Cuando tenía 12 años, Martel Walls ganó un concurso de arte local con un dibujo detallado y realista de un palacio de justicia en Bloomington, Illinois. "Mi dibujo terminó dentro del juzgado, ", dice." Desde entonces, Sabía que quería trabajar en un campo que aprovechara mi ojo para los detalles y mi mano firme ".

El ojo de Walls para las formas complejas lo llevó finalmente a su trabajo como técnico principal a cargo del desarrollo de bobinas magnéticas en Fermi National Accelerator Laboratory en Illinois. donde los equipos producen y prueban imanes destinados al HL-LHC.

Los imanes que Walls y su equipo están ensamblando consisten en 450 metros (aproximadamente 1480 pies) de cable superconductor Nb3Sn enrollado alrededor de dos estructuras de soporte entrelazadas. Las bobinas miden unos 4,5 metros (casi 15 pies) de longitud. Cada centímetro de cable se inspecciona antes y durante el proceso de enrollado.

Luego, las bobinas se calientan hasta 665 grados Celsius (1229 grados Fahrenheit) durante un ciclo de calor de 11 días; un proceso que transforma el cable ordinario de niobio-estaño en un superconductor, pero también lo hace increíblemente frágil. "Se vuelve tan frágil como espaguetis crudos, "Dice Walls.

Manejándolos lo más suavemente posible, Los técnicos sueldan más componentes en las bobinas antes de sumergirlas en epoxi. Las bobinas finales se envían al Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California, donde se unen varias bobinas y luego se envuelven en una carcasa de acero resistente. Luego se envían a Brookhaven para comenzar su régimen de entrenamiento.

Cuando el equipo de pruebas de Brookhaven conecta los imanes a la electricidad, las bobinas se empujan y tiran unas de otras con enormes fuerzas debido a los altos campos magnéticos.

Incluso un pequeño movimiento del orden de solo 10 a 20 micrones, aproximadamente del ancho de un cabello humano, puede ser suficiente para generar un enfriamiento.

Régimen de entrenamiento

Temprano, Los ingenieros se dieron cuenta de que un imán bien construido podía recordar estos movimientos microscópicos. Cuando un componente inestable cambia a una posición más cómoda, el componente normalmente permanece en su sitio. El resultado es un imán que es más resistente la próxima vez que se enciende.

Durante el entrenamiento, Los científicos e ingenieros aumentan gradualmente la corriente eléctrica que circula en el imán. Si alguna parte del imán se va a mover o liberar energía, lo hace en un entorno de laboratorio controlado en lugar de un complejo acelerador subterráneo de difícil acceso.

El entrenamiento con imanes en Brookhaven comienza sumergiendo el imán en un baño de helio líquido. Una vez que se enfría, el equipo de prueba introduce y aumenta gradualmente la corriente eléctrica.

Tan pronto como se apaga, la electricidad se desvía automáticamente fuera del imán. El baño de helio líquido se evapora, llevando consigo el calor del apagado. Después de cada apagado, el helio se recoge para reutilizarlo, y el proceso comienza de nuevo.

"Nuestro objetivo es tres apagados por imán por día, "Dice Feher." Empezamos alrededor de las 5 o 6 de la mañana y trabajamos en turnos hasta las 6 o 7 de la tarde ".

Poco a poco, El equipo de pruebas de Brookhaven expone el imán a corrientes cada vez más altas.

"Durante la I + D de los imanes, podríamos ver de 50 a 60 apagados, "Amm dice." Cuando entremos en producción, el objetivo es ver un número mínimo de apagados, alrededor de los 14 o 15, antes de llegar al nivel de campo deseado ".

Una vez que se completa la capacitación, es decir, el imán puede funcionar a la corriente deseada sin apagarse; se envía de regreso al Fermilab para su posterior equipamiento y pruebas. Los imanes finales luego se enviarán al CERN.

Según Amm, diseño, Construir y preparar imanes para la actualización del LHC es más que física aplicada:es una forma de artesanía.

"Ahí es donde entra el arte junto con la ciencia, ", dice." Puedes hacer tanta ciencia e ingeniería, pero, en última instancia, tienes que construir y probar muchos imanes antes de comprender el punto óptimo ".