Futuros projetos de aceleradores, incluindo a atualização de alta luminosidade do Grande Colisor de Hádrons, contarão com nióbio-estanho (Nb₃ Sn) para seus componentes supercondutores, como eletroímãs. As maiores habilidades supercondutoras deste material serão fundamentais para aumentar o desempenho de nossas máquinas de descoberta, mas testes rigorosos são necessários para demonstrar a resiliência dos componentes de nióbio-estanho, pois a liga é conhecida por ser mais frágil que o nióbio-titânio, dos quais componentes atuais do LHC são feitos.
Isso torna o teste de resistência de um ímã supercondutor em tamanho real baseado na tecnologia de nióbio-estanho no Brookhaven National Laboratory, nos Estados Unidos, um passo crítico no caminho para o HL-LHC. Após testes igualmente bem-sucedidos em versões mais curtas do ímã, os resultados positivos deste teste confirmam ainda mais a viabilidade dos ímãs de nióbio-estanho no ambiente difícil dos aceleradores de partículas, anunciando céus mais claros para o projeto LHC de alta luminosidade (HL-LHC) e além.

O ímã em questão é um dos quadrupolos tripletos que foram produzidos e testados nos Estados Unidos como parte de uma colaboração com o CERN que prevê a contribuição de um total de 20 ímãs para o HL-LHC. Esses ímãs supercondutores de 4,2 metros de comprimento, juntamente com seus equivalentes mais longos atualmente sendo prototipados no CERN, focarão os feixes de prótons com mais força em torno dos pontos de colisão ATLAS e CMS para permitir o aumento de dez vezes na luminosidade integrada (o número de colisões) direcionadas pelo HL-LHC.

Frio, morno, frio, morno, frio, morno… ao longo de dois anos, o quadrupolo sofreu cinco ciclos térmicos, três dos quais na primavera deste ano. Cada um desses ciclos submete os ímãs a uma excursão de 300 ° C na temperatura:até 1,9 K - a temperatura necessária para liberar suas habilidades supercondutoras - quando em operação e volta à temperatura ambiente, à qual os ímãs são regularmente trazidos para operações técnicas. Esse processo é conhecido por ser exigente para ímãs, cujos materiais se expandem e se contraem de maneira diferente com a mudança de temperatura. O quadrupolo nióbio-estanho passou por cinco desses ciclos térmicos sem nenhum sinal de degradação do desempenho.

Os ciclos térmicos são apenas uma parte do cenário:a resiliência às têmperas compõe a outra parte dos requisitos de resistência, conforme testado em Brookhaven. Uma têmpera é uma transição irreversível do estado supercondutor para o estado normal, durante o qual a energia armazenada no ímã deve ser dissipada com segurança por todo o enrolamento, trazendo-o à temperatura ambiente. Em abril e maio de 2022, concomitantemente aos dois últimos ciclos térmicos, o ímã passou por duas têmperas provocadas todos os dias úteis, totalizando cinquenta têmperas em dois meses. Os ímãs são projetados para resistir a esses eventos, mas testar sua resiliência é fundamental para garantir o bom funcionamento do acelerador. E depois que o aquecedor foi disparado cinquenta vezes no inocente quadrupolo em Brookhaven, ficou como novo.

"Este é o primeiro teste de resistência realizado com sucesso em um ímã Nb3Sn de 4,2 m de comprimento, e estou feliz em anunciar que os resultados estão validando ainda mais a resiliência e sustentabilidade dessa tecnologia", explica Giorgio Apollinari, chefe do Projeto de Atualização do Acelerador ( AUP) no Fermilab. Além de estabelecer a resistência do ímã, os testes revelaram que ele foi capaz de manter seu campo de pico operacional de 11,4 T até 4,5 K, o que confere ao ímã uma margem de operação muito superior às exigências impostas pelo calor dos detritos de colisão provenientes do ATLAS e Experimentos CMS.

"Pedimos que esses testes fossem realizados antes do previsto no cronograma original devido ao escrutínio especial sob o qual a tecnologia de nióbio-estanho está em pé, e nossos amigos americanos entregaram. Por isso, por sua capacidade de resposta e adaptabilidade, somos extremamente gratos, " diz Ezio Todesco, responsável pelos ímãs da região de interação HL-LHC. A abertura e a confiança entre as comunidades científicas europeia e americana foi fundamental para alcançar esta conquista, e a decisão de construir os mesmos ímãs em ambos os lados do oceano provou ser mais uma vez o caminho certo a seguir, pois ambos os lados puderam aprender com o outras conquistas e desafios. + Explorar mais

A joia da coroa dos ímãs HL-LHC