Zukünftige Beschleunigerprojekte, einschließlich der Aufrüstung des Large Hadron Collider auf hohe Leuchtkraft, werden für ihre supraleitenden Komponenten wie Elektromagnete auf Niob-Zinn-Legierungen (Nb3Sn) angewiesen sein. Die höheren Supraleitfähigkeiten dieses Materials werden der Schlüssel zur Steigerung der Leistung unserer Entdeckungsmaschinen sein, aber strenge Tests sind notwendig, um die Widerstandsfähigkeit von Niob-Zinn-Komponenten nachzuweisen, da die Legierung bekanntermaßen spröder ist als Niob-Titan aktuelle LHC-Komponenten hergestellt werden.
Dies macht den Dauertest eines supraleitenden Magneten in Originalgröße auf Basis der Niob-Zinn-Technologie im Brookhaven National Laboratory in den Vereinigten Staaten zu einem entscheidenden Schritt auf dem Weg zum HL-LHC. Nach ähnlich erfolgreichen Tests mit kürzeren Versionen des Magneten bestätigen die positiven Ergebnisse dieses Tests die Lebensfähigkeit von Niob-Zinn-Magneten in der schwierigen Umgebung von Teilchenbeschleunigern und kündigen einen klareren Himmel für das Projekt High-Luminosity LHC (HL-LHC) und darüber hinaus an.
Der fragliche Magnet ist einer der Triplett-Quadrupole, die in den Vereinigten Staaten im Rahmen einer Zusammenarbeit mit CERN hergestellt und getestet wurden, die den Beitrag von insgesamt 20 Magneten für den HL-LHC vorsieht. Diese 4,2 Meter langen supraleitenden Magnete werden zusammen mit ihren längeren Gegenstücken, die derzeit am CERN prototypisiert werden, die Protonenstrahlen enger um die Kollisionspunkte von ATLAS und CMS fokussieren, um die angestrebte zehnfache Erhöhung der integrierten Leuchtkraft (der Anzahl der Kollisionen) zu ermöglichen vom HL-LHC.
Kalt, warm, kalt, warm, kalt, warm … im Laufe von zwei Jahren durchlief der Quadrupol fünf thermische Zyklen, von denen drei im Frühjahr dieses Jahres stattfanden. Jeder dieser Zyklen unterzieht die Magnete einem Temperaturhub von 300 °C: bis auf 1,9 K – die Temperatur, die benötigt wird, um ihre supraleitenden Fähigkeiten zu entfalten – im Betrieb und wieder auf Raumtemperatur, auf die Magnete regelmäßig für den technischen Betrieb gebracht werden. Dieser Prozess ist bekanntermaßen anspruchsvoll für Magnete, deren Materialien sich bei der Temperaturänderung unterschiedlich ausdehnen und zusammenziehen. Der Niob-Zinn-Quadrupol durchlief fünf dieser thermischen Zyklen ohne Anzeichen einer Leistungsminderung.
Thermische Zyklen sind nur ein Teil des Bildes: Die Widerstandsfähigkeit gegenüber Abschreckungen macht den anderen Teil der Dauerhaltbarkeitsanforderungen aus, wie in Brookhaven getestet. Ein Quench ist ein irreversibler Übergang vom supraleitenden in den Normalzustand, bei dem die im Magneten gespeicherte Energie sicher über die gesamte Wicklung abgeführt und auf Raumtemperatur gebracht werden muss. Im April und Mai 2022 wurde der Magnet gleichzeitig mit den letzten beiden thermischen Zyklen jeden Arbeitstag zwei provozierten Abschreckungen unterzogen, was insgesamt fünfzig Abschreckungen in zwei Monaten entspricht. Magnete sind so konzipiert, dass sie solchen Ereignissen standhalten können, aber das Testen ihrer Widerstandsfähigkeit ist der Schlüssel zum reibungslosen Betrieb des Beschleunigers. Und nachdem der Löscherhitzer fünfzig Mal auf den unschuldigen Quadrupol in Brookhaven abgefeuert worden war, stellte sich heraus, dass er so gut wie neu war.
„Dies ist der erste erfolgreich durchgeführte Dauertest an einem 4,2 m langen Nb3Sn-Magneten, und ich freue mich, ankündigen zu können, dass die Ergebnisse die Belastbarkeit und Nachhaltigkeit dieser Technologie weiter bestätigen“, erklärt Giorgio Apollinari, Leiter des Accelerator Upgrade Project ( AUP) bei Fermilab. Neben der Ermittlung der Lebensdauer des Magneten zeigten die Tests, dass er in der Lage war, sein Betriebsspitzenfeld von 11,4 T bis zu 4,5 K aufrechtzuerhalten, was dem Magneten einen Betriebsspielraum verleiht, der die Anforderungen weit übertrifft, die durch die vom ATLAS kommende Kollisionstrümmerwärme auferlegt werden CMS-Experimente.
„Wir haben darum gebeten, dass diese Tests aufgrund der besonderen Prüfung, unter der die Niob-Zinn-Technologie steht, früher als im ursprünglichen Zeitplan vorgesehen durchgeführt werden, und unsere amerikanischen Freunde haben geliefert. Dafür, für ihre Reaktionsfähigkeit und Anpassungsfähigkeit, sind wir äußerst dankbar, “, sagt Ezio Todesco, der für die Magnete der HL-LHC-Interaktionsregion verantwortlich ist. Die Offenheit und das Vertrauen zwischen der europäischen und der amerikanischen Wissenschaftsgemeinschaft waren der Schlüssel zu diesem Erfolg, und die Entscheidung, auf beiden Seiten des Ozeans dieselben Magnete zu bauen, erwies sich einmal mehr als der richtige Weg, da beide Seiten davon lernen konnten die Errungenschaften und Herausforderungen anderer.