Los futuros proyectos de aceleradores, incluida la actualización de alta luminosidad del Gran Colisionador de Hadrones, se basarán en niobio-estaño (Nb₃ Sn) aleaciones por sus componentes superconductores, como los electroimanes. Las mayores capacidades superconductoras de este material serán clave para aumentar el rendimiento de nuestras máquinas de descubrimiento, pero se necesitan pruebas estrictas para demostrar la resistencia de los componentes de niobio-estaño, ya que se sabe que la aleación es más frágil que el niobio-titanio, del cual Se fabrican los componentes actuales del LHC.

Esto hace que la prueba de resistencia de un imán superconductor de tamaño completo basado en tecnología de niobio-estaño en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, en los Estados Unidos, sea un paso fundamental en el camino hacia el HL-LHC. Tras pruebas igualmente exitosas en versiones más cortas del imán, los resultados positivos de esta prueba confirman aún más la viabilidad de los imanes de niobio-estaño en el entorno difícil de los aceleradores de partículas, anunciando cielos más despejados para el proyecto High-Luminosity LHC (HL-LHC) y más allá.

El imán en cuestión es uno de los tripletes cuadrupolos que se han producido y probado en Estados Unidos como parte de una colaboración con el CERN que prevé la aportación de un total de 20 imanes para el HL-LHC. Estos imanes superconductores de 4,2 metros de largo, junto con sus contrapartes más largas que actualmente están siendo prototipos en el CERN, enfocarán los haces de protones con más fuerza alrededor de los puntos de colisión de ATLAS y CMS para permitir que la luminosidad integrada (el número de colisiones) se multiplique por diez. por el HL-LHC.

Frío, tibio, frío, tibio, frío, tibio… A lo largo de dos años, el cuadrupolo soportó cinco ciclos térmicos, tres de los cuales tuvieron lugar en la primavera de este año. Cada uno de estos ciclos somete a los imanes a una excursión de temperatura de 300 °C:hasta 1,9 K, la temperatura necesaria para liberar sus capacidades superconductoras, cuando están en funcionamiento y vuelven a la temperatura ambiente, a la que los imanes se llevan regularmente para operaciones técnicas. Se sabe que este proceso es exigente para los imanes, cuyos materiales se expanden y contraen de manera diferente con el cambio de temperatura. El cuadrupolo de niobio-estaño pasó por cinco de estos ciclos térmicos sin ningún signo de degradación del rendimiento.

Los ciclos térmicos son solo una parte de la imagen:la resistencia a los enfriamientos constituye la otra parte de los requisitos de resistencia, como se probó en Brookhaven. Un enfriamiento rápido es una transición irreversible del estado superconductor al normal, durante el cual la energía almacenada en el imán debe disiparse de manera segura a lo largo de todo el devanado, llevándolo a temperatura ambiente. En abril y mayo de 2022, simultáneamente con los dos últimos ciclos térmicos, el imán se sometió a dos enfriamientos provocados cada día hábil, para un total de cincuenta enfriamientos en dos meses. Los imanes están diseñados para poder resistir tales eventos, pero probar su resistencia es clave para garantizar el buen funcionamiento del acelerador. Y después de que el calentador de enfriamiento fuera disparado cincuenta veces en el inocente cuadrupolo en Brookhaven, quedó como nuevo.

"Esta es la primera prueba de resistencia realizada con éxito en un imán Nb3Sn de 4,2 m de largo, y me complace anunciar que los resultados validan aún más la resistencia y la sostenibilidad de esta tecnología", explica Giorgio Apollinari, jefe del Proyecto de actualización del acelerador ( AUP) en Fermilab. Además de establecer la resistencia del imán, las pruebas revelaron que fue capaz de mantener su campo máximo operativo de 11,4 T hasta 4,5 K, lo que le da al imán un margen de operación que supera con creces los requisitos impuestos por el calor de los desechos de colisión provenientes del ATLAS y Experimentos de CMS.

"Pedimos que estas pruebas se realicen antes de lo previsto en el cronograma original debido al escrutinio especial bajo el cual se encuentra la tecnología de niobio-estaño, y nuestros amigos estadounidenses lo han hecho. Por esto, por su capacidad de respuesta y adaptabilidad, estamos extremadamente agradecidos, " dice Ezio Todesco, quien está a cargo de los imanes de la región de interacción HL-LHC. La apertura y la confianza entre las comunidades científicas europea y estadounidense fue clave para lograr este logro, y la decisión de construir los mismos imanes en ambos lados del océano demostró una vez más ser el camino correcto, ya que ambas partes podían aprender de la experiencia. los logros y desafíos de otros. + Explora más

La joya de la corona de los imanes HL-LHC