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Come allenare un magnete

13 Oct , 2021  

I nuovi magneti dell’acceleratore sono sottoposti a un rigoroso programma di addestramento per arrivare preparati alle condizioni estreme del Large Hadron Collider. 

Quando si allenano per una maratona, i corridori aumentano gradualmente la distanza percorsa di volta in volta. Sanno che le corse effettuate nei primi giorni di allenamento non rendono l’idea di cosa saranno capaci una volta allenati; stanno semplicemente costruendo una solida base che li aiuterà a raggiungere il loro pieno potenziale. 

I magneti che guidano le particelle lungo il percorso del Large Hadron Collider (LHC), sono lunghi all’incirca quanto un’automobile. Dopo essere stati assemblati seguono un trattamento simile all’allenamento dei maratoneti. Gli scienziati devono spingerli al limite, più e più volte, fino a quando non saranno in grado di gestire enormi quantità di corrente elettrica. 

L’assemblaggio dei magneti viene completato al CERN, prima dell’istallazione nel tunnel di LHC. Foto Copyright CERN.

“Questi magneti sono grandi meraviglie dell’ingegneria”, afferma la scienziata Kathleen Amm, direttrice della Divisione Magneti presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti a New York. “Ma una cosa che non possiamo fare è metterli direttamente in un acceleratore. Prima devono essere allenati.”. 

“Quando un superconduttore perde le sue proprietà di superconduttore, passa dall’avere una resistenza elettrica zero a una resistenza elettrica molto alta.”

Kathleen Amm, direttrice della Divisione Magneti

Scienziati, ingegneri e tecnici di Brookhaven stanno ora addestrando i magneti per un compito ancora più difficile: dirigere e focalizzare le particelle in un acceleratore di nuova generazione, LHC potenziato per lavorare ad alta luminosità (High Luminosity LHC, HL-LHC). Fortunatamente, questi magneti possono resistere all’intenso allenamento e allo stesso tempo imparare a trasportare una corrente più alta.

Resistere ai fulmini

Utilizzando un nuovo tipo di filo superconduttore a base di niobio-3-stagno, Nb3Sn, i magneti acceleratori di HL-LHC saranno in grado di condurre circa il 40% in più di corrente elettrica rispetto ai magneti utilizzati per LHC. Ciascuno trasporterà circa 16.500 Ampere, all’incirca quanto un piccolo fulmine. Un valore molto alto rispetto agli oggetti della nostra vita quotidiana. Un esempio: il classico computer portatile utilizza meno di 5 Ampere. 

I magneti di LHC sono realizzati con materiali diversi rispetto a quelli utilizzati per realizzare i computer portatili: materiali superconduttori. Ciò significa che possono trasportare una corrente elettrica senza perdere energia. Non producono calore perché hanno una resistenza elettrica nulla.  

Ma c’è un problema: sia i vecchi che i nuovi magneti di LHC ottengono la proprietà della superconduttività soltanto se raffreddati a temperature estremamente basse. All’interno del tunnel di LHC, vengono mantenuti alla temperatura di 1,9 Kelvin (circa -271 gradi Celsius), appena sopra lo zero assoluto (0 K = -273,15 °C). 

Tutto questo non sempre è sufficiente: una piccola imperfezione può far sì che un magnete perda improvvisamente le sue proprietà superconduttive in un processo chiamato quenching, in italiano “spegnimento”. 

“Durante il quenching una parte del superconduttore diventa un conduttore normale”, afferma lo scienziato Sandor Feher, che supervisiona i test e l’addestramento dei magneti per HL-LHC. “La sua temperatura inizia a salire e questo calore si diffonde ad altre parti del magnete”. 

Un quenching può essere dannoso. “Quando un superconduttore perde le sue proprietà di superconduttore, passa dall’avere una resistenza elettrica zero a una resistenza elettrica molto alta”, afferma Amm. “Nei primi giorni [dello sviluppo dei superconduttori], i magneti si bruciavano a causa di questa rapida transizione”. 

Ma questo surriscaldamento non è sempre sinonimo di danno. Durante l’allenamento del magnete, i quench controllati inducono dei cambiamenti strutturali a livello microscopico che migliorano le prestazioni del magnete. 

L’anatomia di un magnete

Quando aveva 12 anni, Martel Walls vinse un concorso d’arte locale con un disegno dettagliato e realistico di un tribunale a Bloomington, nell’Illinois. “Il mio disegno è finito all’interno del tribunale”, dice. “Da allora, sapevo di voler lavorare in un campo che avrebbe sfruttato il mio occhio per i dettagli e la mano ferma”.  

L’attenzione ai dettagli alla fine ha portato Walls a lavorare come tecnico responsabile dello sviluppo delle bobine magnetiche presso il Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL o Fermilab) in Illinois, negli Stati Uniti, dove vengono prodotti e testati i magneti destinati a HL-LHC. 

I magneti che Walls e il suo team stanno assemblando sono costituiti da 450 metri di cavo superconduttore Nb3Sn avvolto attorno a due strutture di supporto ad incastro. Le bobine sono lunghe circa 4,5 metri. Ogni centimetro di cavo viene controllato sia prima che durante il processo di avvolgimento. 

Le bobine vengono quindi riscaldate fino a 665 gradi Celsius durante un ciclo di riscaldamento di 11 giorni. Un processo che trasforma il normale cavo niobio-stagno in un superconduttore, ma lo rende anche incredibilmente fragile. “Diventa fragile come uno spaghetto crudo”, dice Walls.  

Maneggiando le bobine il più delicatamente possibile, i tecnici procedono saldando diversi componenti. Successivamente le immergono nella resina epossidica. Infine le bobine migliori vengono spedite a Berkeley, in California, al Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), dove vengono montate insieme e poi avvolte in un robusto involucro di acciaio. I magneti così assemblati vengono spediti a Brookhaven per iniziare l’addestramento. 

Quando il team di test di Brookhaven collega i magneti all’elettricità, le bobine si spingono e si tirano l’una sull’altra con forze enormi dovute agli elevati campi magnetici. 

Anche un piccolo movimento può essere sufficiente per generare un quench. Per piccolo movimento si intende uno spostamento grande quanto lo spessore di un capello, dell’ordine di soli 10-20 micron (un micron corrisponde a un milionesimo di metro).

L’allenamento

Fin da subito, gli ingegneri si sono resi conto che un magnete ben costruito poteva “ricordare” questi movimenti microscopici. Quando un componente instabile si sposta in una posizione più comoda, il componente rimane stabilmente in questa nuova posizione di equilibrio. Il risultato è un magnete più robusto, che resta stabile durante le successive accensioni.

Durante l’allenamento, scienziati e ingegneri aumentano gradualmente la corrente elettrica che circola nel magnete. Se una parte qualsiasi del magnete si muovesse o rilasciasse energia, lo farebbe in laboratorio, in un sistema controllato, piuttosto che nel complesso di acceleratori sotterranei, difficilmente accessibili. 

A Brookhaven, l’addestramento inizia immergendo il magnete in un bagno di elio liquido. Una volta raffreddato, i tecnici lo alimentano aumentando gradualmente la corrente elettrica. 

Non appena si verifica un quench, l’elettricità viene automaticamente deviata fuori dal magnete. Il bagno di elio liquido evapora, portando con sé il calore rilasciato. Quindi, l’elio viene recuperato per essere riutilizzato e il processo ricomincia. 

“Il nostro obiettivo è effettuare tre quench al giorno per ogni magnete”, afferma Feher. “Iniziamo verso le 5 o le 6 del mattino e lavoriamo a turni fino alle 6 o alle 7 di sera”. Di volta in volta, il magnete viene esposto a correnti sempre più elevate. 

“Durante la ricerca e lo sviluppo dei magneti, possiamo effettuare da 50 a 60 quench”, afferma Amm. “Quando entreremo in produzione, l’obiettivo sarà effettuare un numero minore di quench, circa 14 o 15, per arrivare al livello di campo [magnetico] desiderato”. 

Una volta completato l’addestramento, ovvero quando il magnete può funzionare alla corrente desiderata senza spegnersi, viene rispedito al Fermilab per ulteriori test. I magneti finali verranno quindi spediti al CERN.  

Secondo Amm, progettare, costruire e preparare i magneti per il potenziamento di LHC è molto più che semplice fisica applicata: è una forma di artigianato. 

“È qui che l’arte incontra la scienza”, dice. “Puoi saperne tanto di scienza e ingegneria, ma in fin dei conti devi costruire e testare un sacco di magneti prima di capire a fondo il meccanismo”.


Tradotto dal testo originale di Sarah Charley: “How to train your magnet”, Copyright Symmetry Magazine.

Alessandro Lapertosa By



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