El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha superado la mitad del proceso de varios años de fabricación de cables superconductores cruciales como parte de un proyecto para actualizar el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN. Esta actualización, ahora en progreso, aumentará considerablemente la tasa de colisiones de la instalación y su productividad científica.

El proyecto de actualización del acelerador LHC de alta luminosidad, o HL-LHC AUP, es un multiinstitucional, Contribución de EE. UU. A la mejora de las instalaciones del LHC. El proyecto tiene su sede en Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) del DOE.

Un grupo de imanes de enfoque mucho más potentes, conocido como el "triplete interior, "está previsto que se instalen a ambos lados de los puntos de interacción del LHC, donde chocan los haces de protones separados. Al apretar los haces a mayor densidad en los puntos de interacción, Estos imanes de enfoque más fuertes aumentarán el número de colisiones durante la vida útil de la máquina en al menos un factor de 10. Esto mejorará significativamente las oportunidades para descubrir nueva física.

Las bobinas de los imanes de enfoque HL-LHC AUP están fabricadas con un superconductor avanzado de niobio y estaño (Nb3Sn) en una matriz de cobre. Una de las contribuciones clave de Berkeley Lab es la fabricación de todos los cables que se utilizarán en los imanes. La tarea alcanzó la mitad del camino en enero de 2021.

Giorgio Apollinari de Fermilab, Gerente de Proyecto AUP, dicho del hito, "Este es un gran logro de 'girar la boya', ya que permite que el proyecto continúe sin obstáculos en la producción de estos imanes críticos HL-LHC AUP".

El líder del proyecto de Berkeley Lab y el director del Berkeley Center for Magnet Technology (BCMT), Soren Prestemon, agregó:"Esta marca a mitad de camino es un gran hito para nuestro equipo de cableado, que han cumplido excepcionalmente con el proyecto, incluso más notable dadas las complejidades del trabajo en el sitio bajo las limitaciones de COVID ".

La AUP general recibió recientemente la aprobación de la Decisión Crítica 3 (CD-3) en el proceso de gestión de proyectos del DOE, dando luz verde a la producción en serie de los propios imanes. La fabricación de cables ya había comenzado bajo un enfoque de gestión en el que los artículos de largo plazo, como la adquisición de cables y la fabricación de cables, recibió las aprobaciones para seguir adelante con la producción en serie de los imanes.

"El proyecto AUP aprovecha una amplia experiencia y capacidades en tecnología avanzada de imanes Nb3Sn en Berkeley Lab, "dijo Cameron Geddes, director de la División de Física Aplicada y Tecnología Aceleradora de Berkeley Lab (ATAP). ATAP y la División de Ingeniería formaron BCMT para unir fuerzas en el diseño avanzado de imanes. Geddes agregado, "Este hito crítico demuestra el compromiso del laboratorio con el proyecto y la capacidad única del equipo para cumplir con sus desafiantes requisitos".

De conductor a cable a imán

La mayoría de la gente ha visto o incluso construido electroimanes hechos de bobinas de alambre individual, un artículo familiar en ferias de ciencias escolares y en productos de consumo. Sin embargo, Hay muchas razones por las que estos no funcionarían bien en los imanes aceleradores. En lugar de, Los aceleradores utilizan cables formados por múltiples hebras de alambre superconductor. Los cables son planos con una sección transversal "trapezoidal" rectangular o muy ligeramente trapezoidal, un perfil conocido como "estilo Rutherford" por el Laboratorio Rutherford Appleton en Inglaterra, que desarrolló el diseño.

Los cables Rutherford son flexibles cuando se doblan en su cara ancha, lo que facilita el bobinado de la bobina. Sin embargo, los hilos en los bordes delgados del cable están muy deformados y su estabilidad termoeléctrica podría degradarse, por lo que la conformación debe supervisarse y controlarse cuidadosamente.

El equipo general de la AUP cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencias del DOE y consta de seis laboratorios de EE. UU. Y dos universidades:Fermilab, Laboratorio Nacional Brookhaven, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC, y Thomas Jefferson National Accelerator Facility (todos los laboratorios nacionales del DOE), junto con el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético, Universidad Old Dominion, y la Universidad Estatal de Florida. Cada uno aporta fortalezas únicas a los desafíos del diseño, edificio, y probando estos imanes avanzados y sus componentes. Los socios industriales suministran el cable superconductor.

Berkeley Lab envía los cables a Fermilab o Brookhaven para que se fabriquen en bobinas y reaccionen (se sometan a tratamiento térmico) para activar su superconductividad. Las bobinas reaccionadas se devuelven a Berkeley Lab, que los usa para hacer imanes cuadrupolos. Este artículo reciente ofrece una visión en profundidad de cómo varias instituciones utilizan sus fortalezas complementarias para hacer imanes para la AUP.

"Estos imanes son la culminación de más de 15 años de desarrollo tecnológico, comenzando con la colaboración LARP (LHC Accelerator Research Program), ", dijo Dan Cheng de la División de Ingeniería de Berkeley Lab.

"Ojos de águila para la calidad y los grandes corazones colaborativos"

Laboratorio de Berkeley, que este año celebra su 90 aniversario, tiene una larga trayectoria de colaboración nacional e internacional en el diseño y construcción de aceleradores, y su experiencia en imanes superconductores se remonta a principios de la década de 1970.

La máquina de cableado de movimiento planetario en Berkeley Lab fue diseñada e instalada a principios de la década de 1980 y ha recibido actualizaciones continuas a lo largo de los años. Ha contribuido a una gran cantidad de proyectos DOE, como la actualización de Fermilab Tevatron y luego el desarrollo temprano del Superconductor Super Collider. Hoy dia, la instalación de cableado es una infraestructura clave para las actividades de imanes superconductores de Berkeley Lab.

La instalación de cableado también cuenta con un conjunto de sistemas de garantía de calidad de clase mundial para monitorear las propiedades de los cables. Estos incluyen una máquina de medición de cables en línea que puede medir los parámetros dimensionales de un cable a una presión establecida, un sistema de cámara en línea que puede registrar cada milímetro de los cuatro lados de los cables fabricados y realizar análisis de imágenes, y un sistema de refrigeración criogénica especialmente diseñado para medir parámetros clave de forma reproducible.

Las personas que ensamblan y utilizan este equipo pertenecen a las divisiones ATAP e Ingeniería de Berkeley Lab. Ian Pong, un científico de planta en ATAP y gerente de cableado de Berkeley Lab para la AUP HL-LHC, dijo "No solo contamos con equipos de clase mundial para fabricar cables superconductores de última generación, pero lo mas importante, un equipo de personas de clase mundial que tienen ojos de águila para la calidad y un gran corazón colaborativo para los proyectos ".

Apollinari dijo:"El grupo Berkeley Lab dirigido por Ian ha sido sobresaliente en la producción de alta calidad de los cables Nb3Sn, cumpliendo no solo los exigentes requisitos de aseguramiento y control de la calidad, sino logrando un rendimiento de producción muy superior al esperado para este tipo de actividades. Obviamente, esto es de gran ayuda para el Proyecto AUP, tanto económicamente como desde el punto de vista del horario ".