![\"\"](\"https:\/\/web.infn.it\/atlas\/wp-content\/uploads\/2021\/10\/SalaMagneti-1.jpg\")
<\/a>\u201cQuesti magneti sono grandi meraviglie dell’ingegneria\u201d, afferma la scienziata Kathleen Amm, direttrice della Divisione Magneti presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti a New York. \u201cMa una cosa che non possiamo fare \u00e8 metterli direttamente in un acceleratore. Prima devono essere allenati.\u201d. <\/p>\n\n\n\n
“Quando un superconduttore perde le sue propriet\u00e0 di superconduttore, passa dall’avere una resistenza elettrica zero a una resistenza elettrica molto alta<\/strong>.”<\/p>Kathleen Amm, direttrice della Divisione Magneti<\/cite><\/blockquote>\n\n\n\n
Scienziati, ingegneri e tecnici di Brookhaven stanno ora addestrando i magneti per un compito ancora pi\u00f9 difficile: dirigere e focalizzare le particelle in un acceleratore di nuova generazione, LHC potenziato per lavorare ad alta luminosit\u00e0 (High Luminosity LHC, HL-LHC). Fortunatamente, questi magneti possono resistere all’intenso allenamento e allo stesso tempo imparare a trasportare una corrente pi\u00f9 alta.<\/p>\n\n\n\n
Resistere ai fulmini<\/strong><\/h2>\n\n\n\n
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 pi\u00f9 di corrente elettrica rispetto ai magneti utilizzati per LHC. Ciascuno trasporter\u00e0 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. <\/p>\n\n\n\n
I magneti di LHC sono realizzati con materiali diversi rispetto a quelli utilizzati per realizzare i computer portatili: materiali superconduttori. Ci\u00f2 significa che possono trasportare una corrente elettrica senza perdere energia. Non producono calore perch\u00e9 hanno una resistenza elettrica nulla. <\/p>\n\n\n\n
Ma c’\u00e8 un problema: sia i vecchi che i nuovi magneti di LHC ottengono la propriet\u00e0 della superconduttivit\u00e0 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 \u00b0C). <\/p>\n\n\n\n
Tutto questo non sempre \u00e8 sufficiente: una piccola imperfezione pu\u00f2 far s\u00ec che un magnete perda improvvisamente le sue propriet\u00e0 superconduttive in un processo chiamato quenching<\/em>, in italiano \u201cspegnimento\u201d. <\/p>\n\n\n\n
\u201cDurante il quenching<\/em> una parte del superconduttore diventa un conduttore normale\u201d, afferma lo scienziato Sandor Feher, che supervisiona i test e l’addestramento dei magneti per HL-LHC. \u201cLa sua temperatura inizia a salire e questo calore si diffonde ad altre parti del magnete\u201d. <\/p>\n\n\n\n
Un quenching<\/em> pu\u00f2 essere dannoso. \u201cQuando un superconduttore perde le sue propriet\u00e0 di superconduttore, passa dall’avere una resistenza elettrica zero a una resistenza elettrica molto alta\u201d, afferma Amm. \u201cNei primi giorni [dello sviluppo dei superconduttori], i magneti si bruciavano a causa di questa rapida transizione\u201d. <\/p>\n\n\n\n
Ma questo surriscaldamento non \u00e8 sempre sinonimo di danno. Durante l’allenamento del magnete, i quench<\/em> controllati inducono dei cambiamenti strutturali a livello microscopico che migliorano le prestazioni del magnete. <\/p>\n\n\n\n
L’anatomia di un magnete<\/strong><\/h2>\n\n\n\n
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. \u201cIl mio disegno \u00e8 finito all’interno del tribunale\u201d, dice. \u201cDa allora, sapevo di voler lavorare in un campo che avrebbe sfruttato il mio occhio per i dettagli e la mano ferma\u201d. <\/p>\n\n\n\n
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. <\/p>\n\n\n\n
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. <\/p>\n\n\n\n
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. \u201cDiventa fragile come uno spaghetto crudo\u201d, dice Walls. <\/p>\n\n\n\n
Maneggiando le bobine il pi\u00f9 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 cos\u00ec assemblati vengono spediti a Brookhaven per iniziare l\u2019addestramento. <\/p>\n\n\n\n
Quando il team di test di Brookhaven collega i magneti all’elettricit\u00e0, le bobine si spingono e si tirano l’una sull’altra con forze enormi dovute agli elevati campi magnetici. <\/p>\n\n\n\n
Anche un piccolo movimento pu\u00f2 essere sufficiente per generare un quench<\/em>. 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).<\/p>\n\n\n\n
L’allenamento<\/strong><\/h2>\n\n\n\n
Fin da subito, gli ingegneri si sono resi conto che un magnete ben costruito poteva \u201cricordare\u201d questi movimenti microscopici. Quando un componente instabile si sposta in una posizione pi\u00f9 comoda, il componente rimane stabilmente in questa nuova posizione di equilibrio. Il risultato \u00e8 un magnete pi\u00f9 robusto, che resta stabile durante le successive accensioni.<\/p>\n\n\n\n
Durante l\u2019allenamento, 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. <\/p>\n\n\n\n
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. <\/p>\n\n\n\n
Non appena si verifica un quench<\/em>, l’elettricit\u00e0 viene automaticamente deviata fuori dal magnete. Il bagno di elio liquido evapora, portando con s\u00e9 il calore rilasciato. Quindi, l’elio viene recuperato per essere riutilizzato e il processo ricomincia. <\/p>\n\n\n\n
\u201cIl nostro obiettivo \u00e8 effettuare tre quench al giorno per ogni magnete\u201d, afferma Feher. \u201cIniziamo verso le 5 o le 6 del mattino e lavoriamo a turni fino alle 6 o alle 7 di sera\u201d. Di volta in volta, il magnete viene esposto a correnti sempre pi\u00f9 elevate. <\/p>\n\n\n\n
\u201cDurante la ricerca e lo sviluppo dei magneti, possiamo effettuare da 50 a 60 quench”, afferma Amm. \u201cQuando entreremo in produzione, l’obiettivo sar\u00e0 effettuare un numero minore di quench, circa 14 o 15, per arrivare al livello di campo [magnetico] desiderato”. <\/p>\n\n\n\n
Una volta completato l’addestramento, ovvero quando il magnete pu\u00f2 funzionare alla corrente desiderata senza spegnersi, viene rispedito al Fermilab per ulteriori test. I magneti finali verranno quindi spediti al CERN. <\/p>\n\n\n\n
Secondo Amm, progettare, costruire e preparare i magneti per il potenziamento di LHC \u00e8 molto pi\u00f9 che semplice fisica applicata: \u00e8 una forma di artigianato. <\/p>\n\n\n\n
\u201c\u00c8 qui che l’arte incontra la scienza\u201d, dice. \u201cPuoi 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\u201d.<\/p>\n\n\n\n