Tesis:
Nested Cos-Theta Superconducting Accelerator Dipoles with High Radiation Resistance: Application to the HL-LHC Orbit Correctors
- Autor: GARCÍA MATOS, Jesús Ángel
- Título: Nested Cos-Theta Superconducting Accelerator Dipoles with High Radiation Resistance: Application to the HL-LHC Orbit Correctors
- Fecha: 2022
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: SIN DEPARTAMENTO DEFINIDO
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/72080/
- Director/a 1º: TORAL FERNÁNDEZ, Fernando
- Resumen: Particle accelerators have driven technological innovation since their invention in 1930. The MCBXF orbit corrector magnets, subject of this thesis, are part of the equipment required for the HL-LHC upgrade, which will take advantage of the latest technologies to bring particle physics research one step further.
Due to limited space in the machine, they consist of two nested dipoles in quadrature. This type of corrector will likely be necessary in future installations, since particle colliders will require more powerful equipment to achieve higher energies. They could also be used in other applications, such as hadrontherapy gantries. This thesis focuses on providing information and guidance on the design and fabrication of nested dipoles, which is not present in the current literature.
The conceptual design is addressed first, in order to identify the main peculiarities and difficulties involved in the design of this type of magnets. After choosing the cos-theta configuration as the most advantageous for the MCBXF magnets, an innovative nested collar structure is proposed to contain the electromagnetic torque and forces. This type of mechanical interlocking is mandatory due to the large doses of radiation expected on the magnets, located near the collision points. Previous solutions, based on resins, cannot be used. Subsequently, an analytical design methodology is proposed, capable of sizing these collars by limiting their radial deformation. With this, a preliminary design is obtained by fixing the apertures of the outer dipole and the iron yoke, saving iterations between the magnetic and mechanical design, intrinsically coupled in this type of magnets. Torsion at the coil heads and magnetic design peculiarities are also discussed.
Everything previously learned is applied to the detailed design of the MCBXFB. The straight section is optimized from the analytical conceptual design using electromagnetic and mechanical FEA simulations. The 3D design of the coils is calculated taking into account the particularities previously detected, and the longitudinal structure is designed to manage the axial forces and maintain the yoke packing factor.
Then, manufacturing techniques are addressed. Due to the high number of turns, it is necessary to use novel techniques for NbTi coils, such as validating a binder that allows both coil layers to be wound and manipulated and is also compatible with the subsequent impregnation process. The novel structure of nested collars is validated by means of a short mechanical mock-up, and all the processes necessary to obtain the prototype are detailed, with special emphasis on those particular aspects of nested dipoles or MCBXF magnets.
In the results of the tests of the first two prototypes, the influence of the shimming strategy for the magnet performance becomes evident. The results in individual powering are excellent, but despite implementing an adequate shimming strategy, some performance limitations are experienced in combined powering. Reaching the nominal operation requires long training, and when the direction of the electromagnetic torque is reversed, the coils have to be trained again.
Finally, the origin of these limitations is correctly diagnosed and they can be resolved through various modifications of the original design. The excellent results achieved after these changes demonstrate not only that the magnets are ready for series production, but also the potential of all the design methodologies and manufacturing techniques described in this dissertation.
RESUMEN
Los aceleradores de partículas han sido motores de innovación tecnológica desde su invención en 1930. Los imanes correctores de órbita MCBXF, objeto de esta tesis, forman parte del equipo necesario para la actualización HL-LHC, que aprovechará las últimas tecnologías para llevar la investigación en física de partículas un paso más allá.
Debido al limitado espacio en la máquina, éstos consisten en dos dipolos anidados en cuadratura. Es muy probable que este tipo de correctores sean necesarios en futuras instalaciones, ya que los colisionadores de partículas requerirán equipos más potentes para lograr energías más altas. También podrían ser utilizados en otras aplicaciones, como la hadronterapia. Esta tesis se centra en proporcionar información y orientación sobre el diseño y fabricación de dipolos anidados, no presente en la literatura actual.
Se aborda en primer lugar el diseño conceptual, con el fin de identificar las principales peculiaridades y dificultades que supone el diseño de este tipo de imanes. Tras elegir la configuración cos-theta como la más ventajosa para los imanes MCBXF, se propone una innovadora estructura de collares anidados para contener el par y las fuerzas electromagnéticas. Este tipo de enclavamiento mecánico es obligatorio debido a las grandes dosis de radiación que recibirán los imanes, emplazados cerca de los puntos de colisión. Soluciones previas, basadas en resinas, no pueden ser utilizadas. Posteriormente, se propone una metodología de diseño analítica, capaz de dimensionar estos collares limitando su deformación radial. Con esto se obtiene un diseño preliminar fijando las aperturas del dipolo exterior y el hierro, ahorrando iteraciones entre el diseño magnético y mecánico, intrínsecamente acoplados en este tipo de imanes. También se analiza la torsión en las cabezas y las peculiaridades del diseño magnético.
Todo lo aprendido previamente se aplica al diseño en detalle del MCBXFB. La sección recta se optimiza a partir del diseño conceptual analítico mediante simulaciones electromagnéticas y mecánicas con elementos finitos. El diseño tridimensional de las bobinas se calcula teniendo en cuenta las particularidades previamente detectadas y se diseña la estructura longitudinal que gestiona las fuerzas axiales y garantiza el factor de empaquetamiento del hierro.
Posteriormente se abordan las técnicas de fabricación. Debido al alto número de vueltas de las bobinas, es necesario utilizar técnicas novedosas para bobinas de NbTi, como validar un ‘fijador’ que permita bobinar y manipular las dos capas de las bobinas y que sea compatible con su posterior impregnación. La novedosa estructura de collares anidados es validada mediante una maqueta corta y se detallan todos los procesos necesarios para la obtención del prototipo, haciendo especial hincapié en aquellos aspectos particulares de los dipolos anidados o los imanes MCBXF.
En los resultados de los ensayos de los dos primeros prototipos, se hace evidente la influencia de la estrategia de precarga en el rendimiento del imán. Los resultados en alimentación individual son excelentes pero, a pesar de implementar una estrategia de precarga adecuada, se experimentan limitaciones de rendimiento en alimentación combinada. Alcanzar la operación nominal requiere un largo entrenamiento y cuando la dirección del par electromagnético se invierte, hay que entrenar de nuevo las bobinas.
Finalmente, el origen de estas limitaciones es correctamente identificado y logran resolverse mediante varias modificaciones del diseño original. Los excelentes resultados cosechados tras estos cambios, demuestran no solo que los imanes están listos para su producción en serie, sino también el potencial de todas las metodologías de diseño y técnicas de fabricación descritas en esta tesis.