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Tesis:

Field quality in NB3SN superconducting accelerator magnets

  • Autor: IZQUIERDO BERMÚDEZ, Susana

  • Título: Field quality in NB3SN superconducting accelerator magnets

  • Fecha: 2023

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES

  • Departamentos: SIN DEPARTAMENTO DEFINIDO

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/74510/

  • Director/a 1º: BOTTURA, Luca
  • Director/a 2º: TORAL FERNÁNDEZ, Fernando

  • Resumen: Colliders of highly energetic particle beams are a crucial tool for high energy physics (HEP) and accelerator magnets are an essential component to steer and focus the particle beam. To enable highest energy hadron colliders, reliable and cost-effective magnet technologies are fundamental. Today Nb3Sn is the superconductor that reached a level of maturity enough to be considered as a candidate material to reach field levels above 10 T. This pursuit of higher magnetic fields translates into challenges for the magnet design. A major milestone for the technology will be the first-time implementation of Nb3Sn quadrupole accelerator magnets in the High Luminosity Upgrade of the Large Hadron Collider (HL-LHC). After more than 20 years of development, the production of the first mini-series of Nb3Sn accelerator-quality magnets is ongoing, paving the path towards the next generation magnets. The work presented in this thesis is focused on the magnetic performance, contributing to a better understanding of these magnets, needed to define targets for future generation accelerator magnets. HL-LHC Nb3Sn magnets are exploring an unprecedented operating current density in the strand of 700–800 A/mm2 and a magnetic energy density 50 % higher than the NbTi main dipoles of the LHC. In addition, fabrication of Nb3Sn coils requires a heat treatment to 650ºC after winding to form the superconducting phase. The formation of the superconducting phase produces a volume expansion leading to radial, azimuthal, and axial dimensional changes of the conductor. The position of the conductors must be controlled with a precision greater than 0.1 mm. Compared to the Nb-Ti, state-of-the-art Nb3Sn conductor features larger filament size and higher critical current density resulting on a strand magnetization about one order of magnitude larger, which has an impact on the field errors in particular at injection. A superconducting magnet is therefore a complex electro-magnetic-mechanical system and HL-LHC marks the start of a new era in particle accelerators. The aim of this work is to study the magnetic behaviour of the Nb3Sn magnets for the HL-LHC upgrade in order to stablish a solid background for future accelerators. Special focus is given to the intrinsic difficulties of Nb3Sn technology. After a brief introduction, the second chapter will describe the challenges to reach the 12 T field level and the main design features of the MBH-11 T dipoles and MQXF quadrupoles. Chapter three focuses on the geometric field errors with an assessment of the precision in the positioning of the conductors within the magnet cross section. Later on, the contribution of ferromagnetic materials is discussed including the capabilities to correct field errors through magnetic shimming. The last two chapters address the magnetization and coupling current effects (field distortions and AC losses), including the dynamic effects at injection (decay and snapback). RESUMEN Los colisionadores de partículas de alta energía son una herramienta crucial para la física de altas energías y los imanes son un componente esencial para dirigir y enfocar el haz de partículas. Imanes superconductores eficientes y fiables son fundamentales para la construcción de colisionadores de protones de alta energía. Hoy en día, el Nb3Sn es el superconductor que ha alcanzado la madurez suficiente para ser utilizado en imanes de más de 10 T. La búsqueda de campos magnéticos más altos se traduce en desafíos en el diseño del imán. Un hito importante para esta tecnología será la implementación por primera vez de imanes de Nb3Sn para el aumento de la luminosidad del LHC, proyecto conocido como HL-LHC (High Luminosity Upgrade of the Large Hadron Collider). Después de más de 20 años de desarrollo, se está llevando a cabo la producción de la primera miniserie de imanes Nb3Sn para acelerador. Esta tesis estudia el comportamiento magnético de estos imanes. Los imanes de Nb3Sn para el HL-LHC están explorando una densidad de corriente en la sección metálica del cable sin precedentes de 700–800 A/mm2 y una densidad de energía un 50 % más alta que los dipolos principales de NbTi del LHC. Además, la fabricación de bobinas de Nb3Sn requiere un tratamiento térmico a 650 ºC después del bobinado para formar la fase superconductora. La formación de la fase superconductora produce una expansión de volumen que conduce a cambios dimensionales radiales, azimutales y axiales del conductor. La posición de los conductores debe controlarse con una precisión superior a 0.1 mm. En comparación con el Nb-Ti, el conductor Nb3Sn presenta un tamaño de filamento más grande y una densidad de corriente crítica más alta, lo que da como resultado una magnetización del superconductor un orden de magnitud mayor, lo que tiene un impacto en los errores de campo, en particular al nivel de energía en el que se inyecta el haz. Por lo tanto, un imán superconductor es un sistema electro-mecánico-magnético complejo y el HL-LHC marca el comienzo de una nueva era en los aceleradores de partículas. El objetivo de este trabajo es estudiar el comportamiento magnético de los imanes Nb3Sn para HL-LHC con el fin de establecer una base sólida para futuros aceleradores. Se presta especial atención a las dificultades intrínsecas de la tecnología de Nb3Sn. Después de una breve introducción, el segundo capítulo describirá los desafíos para alcanzar el nivel de campo de 12 T y las principales características de diseño de los dipolos MBH-11 T y los cuadrupolos MQXF. El capítulo tres se centra en los errores geométricos del campo magnético con una evaluación de la precisión en el posicionamiento de los conductores dentro de la sección transversal del imán. Más adelante, se analiza la contribución de los materiales ferromagnéticos. Los dos últimos capítulos abordan los efectos de la magnetización y las corrientes de acoplamiento, incluyendo los efectos dinámicos en la inyección (‘decay and snapback’).