O Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Laboratório de Berkeley) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) ultrapassou a metade do processo de vários anos de fabricação de cabos supercondutores cruciais como parte de um projeto para atualizar o Large Hadron Collider (LHC) no CERN. Esta atualização, agora em andamento, aumentará muito a taxa de colisão da instalação e sua produtividade científica.

O Projeto de Atualização do Acelerador LHC de Alta Luminosidade, ou HL-LHC AUP, é multi-institucional, Contribuição dos EUA para a atualização das instalações do LHC. O projeto está sediado no Laboratório Nacional de Aceleração de Fermi do DOE (Fermilab).

Um grupo de ímãs de foco muito mais poderosos, conhecido como o "trigêmeo interno, "estão planejados para serem instalados em ambos os lados dos pontos de interação do LHC, onde os feixes de prótons separados colidem. Ao comprimir os feixes para maior densidade nos pontos de interação, esses ímãs de foco mais fortes aumentarão o número de colisões ao longo da vida útil da máquina em pelo menos um fator de 10. Isso aumentará significativamente as oportunidades de descoberta de novas físicas.

As bobinas para os ímãs de foco HL-LHC AUP são feitas de supercondutor avançado de nióbio-estanho (Nb3Sn) em uma matriz de cobre. Uma das principais contribuições do Berkeley Lab é fabricar todos os cabos a serem usados ​​nos ímãs. A tarefa atingiu a metade em janeiro de 2021.

Giorgio Apollinari do Fermilab, Gerente de Projeto AUP, disse do marco, "Esta é uma grande conquista de 'virar a boia', pois permite que o projeto continue desimpedido na produção desses imãs HL-LHC AUP essenciais."

O líder do projeto do Berkeley Lab e o diretor do Berkeley Center for Magnet Technology (BCMT), Soren Prestemon, acrescentou:"Esta marca de meio caminho é um marco tremendo para nossa equipe de cabeamento, que forneceram resultados excepcionais para o projeto - ainda mais notável, dadas as complexidades do trabalho no local sob as restrições do COVID. "

A AUP geral recebeu recentemente a aprovação da Decisão Crítica 3 (CD-3) no processo de gerenciamento de projetos do DOE, dando luz verde para a produção em série dos próprios ímãs. A fabricação de cabos já havia começado sob uma abordagem de gerenciamento em que itens de longo prazo, como aquisição de fios e fabricação de cabos, recebeu aprovações para avançar antes da produção em série dos ímãs.

"O projeto AUP aproveita ampla experiência e recursos em tecnologia de ímã Nb3Sn avançada no Berkeley Lab, "disse Cameron Geddes, diretor da Divisão de Tecnologia de Aceleradores e Física Aplicada (ATAP) do Berkeley Lab. A ATAP e a Divisão de Engenharia formaram o BCMT para unir forças no design avançado de ímãs. Geddes acrescentou, "Este marco crítico demonstra o compromisso do Laboratório com o projeto e a capacidade única da equipe de cumprir seus requisitos desafiadores."

Do condutor ao cabo ao ímã

A maioria das pessoas viu ou até mesmo construiu eletroímãs feitos de bobinas de fios individuais, um item familiar em feiras de ciências escolares e em produtos de consumo. Contudo, há muitas razões pelas quais eles não funcionariam bem em ímãs aceleradores. Em vez de, aceleradores usam cabos formados de vários fios de fio supercondutor. Os cabos são planos, com uma seção transversal retangular ou levemente trapezoidal "keystone", um perfil conhecido como "estilo Rutherford", em homenagem ao Laboratório Rutherford Appleton, na Inglaterra, que desenvolveu o design.

Os cabos Rutherford são flexíveis quando dobrados em sua face larga, o que torna o enrolamento da bobina fácil. Contudo, os fios nas bordas finas do cabo estão fortemente deformados e sua estabilidade termoelétrica pode ser degradada, portanto, a modelagem deve ser cuidadosamente monitorada e controlada.

A equipe geral da AUP é apoiada pelo DOE Office of Science e consiste em seis laboratórios dos EUA e duas universidades:Fermilab, Laboratório Nacional de Brookhaven, Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, SLAC National Accelerator Laboratory, e Thomas Jefferson National Accelerator Facility (todos os laboratórios nacionais do DOE), junto com o Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético, Old Dominion University, e a Florida State University. Cada um traz forças únicas para os desafios de design, construção, e testar esses ímãs avançados e seus componentes. Parceiros industriais fornecem o fio supercondutor.

O Berkeley Lab envia os cabos ao Fermilab ou Brookhaven para serem fabricados em bobinas e reagidos (tratados termicamente) para ativar sua supercondutividade. As bobinas reagidas são devolvidas ao Laboratório de Berkeley, que os usa para fazer ímãs quadrupolo. Este artigo recente oferece uma visão aprofundada de como várias instituições usam seus pontos fortes complementares para fazer ímãs para o AUP.

"Esses ímãs são o culminar de mais de 15 anos de desenvolvimento de tecnologia, começando com a colaboração LARP (LHC Accelerator Research Program), "disse Dan Cheng da Divisão de Engenharia do Berkeley Lab.

"Olhos de águia para qualidade e grandes corações colaborativos"

Berkeley Lab, que celebra seu 90º aniversário este ano, tem uma longa história de colaboração nacional e internacional na concepção e construção de aceleradores, e sua experiência em ímãs supercondutores remonta ao início dos anos 1970.

A máquina de cabeamento de movimento planetário do Berkeley Lab foi projetada e instalada no início da década de 1980 e tem recebido atualizações contínuas ao longo dos anos. Ele contribuiu para um grande número de projetos DOE, como a atualização do Fermilab Tevatron e, em seguida, o desenvolvimento inicial do Supercondutor Super Colisor. Hoje, a instalação de cabeamento é a infraestrutura fundamental para as atividades de ímã supercondutor do Berkeley Lab.

A instalação de cabeamento também oferece um conjunto de sistemas de garantia de qualidade de classe mundial para monitorar as propriedades dos cabos. Isso inclui uma máquina de medição de cabo em linha que pode medir os parâmetros dimensionais de um cabo em uma pressão definida, um sistema de câmera em linha que pode registrar cada milímetro de todos os quatro lados dos cabos fabricados e realizar análise de imagem, e um sistema crio-resfriador especialmente projetado para medir parâmetros importantes de forma reproduzível.

As pessoas que montam e usam este equipamento estão nas divisões ATAP e Engenharia do Berkeley Lab. Ian Pong, um cientista da equipe do ATAP e gerente de cabeamento do Berkeley Lab para o HL-LHC AUP, disse "Não temos apenas equipamentos de classe mundial para a fabricação de cabos supercondutores de última geração, mas mais importante, uma equipe de classe mundial de pessoas que têm olhos de águia para qualidade e grandes corações colaborativos para projetos. "

Apollinari disse, "O grupo Berkeley Lab liderado por Ian tem se destacado na produção de alta qualidade dos cabos Nb3Sn, atendendo não apenas aos exigentes requisitos de garantia e controle de qualidade, mas também alcançando um rendimento de produção muito acima e além do esperado para este tipo de atividades. Isso é obviamente de grande ajuda para o Projeto AUP, economicamente e do ponto de vista do cronograma. "