La protezione dal quench del dipolo superconduttore MBRD per l’upgrade ad alta luminosità del Large Hadron Collider (HL-LHC)

Abstract

Il magnete superconduttore MBRD è un dipolo di separazione/ricombinazione che verrà installato al CERN per l’upgrade High-Luminosity di LHC. L’upgrade comporta una modifica significativa dei magneti installati immediatamente prima e dopo le regioni d’interazione dei due principali esperimenti ATLAS e CMS. In particolare, il magnete MBRD dovrà fornire un campo magnetico di dipolo superiore del 30% rispetto alla configurazione attuale (passando da 3.7 T a 4.5 T) in un’apertura dal diametro maggiore del 30% (da 80 mm a 105 mm). Il piano di sviluppo dedicato prevede la costruzione di un modello corto di lunghezza pari a 1.6 m, di un prototipo di lunghezza nominale pari a 8 m ed infine di sei magneti della serie (di cui quattro saranno installati nell’upgrade di LHC mentre due sono considerati magneti di scorta). Nella tesi verrà descritto lo studio effettuato sul fenomeno del quench (transizione allo stato normale di un magnete superconduttore), con l’obiettivo di simulare il comportamento dello schema di protezione del magnete MBRD per verificarne l’efficacia. Tramite l’utilizzo di due software differenti, ROXIE e LEDET, sono stati implementati dei modelli in grado di prevedere il comportamento del magnete in caso di quench. È stato necessario ottimizzare e validare i modelli costruiti tramite il confronto tra le simulazioni e i dati sperimentali, ottenuti durante la campagna di test effettuata al CERN sul modello corto di MBRD. I modelli ottimizzati sono stati infine impiegati per prevedere il comportamento del sistema di protezione del prototipo e dei magneti della serie, con l’obiettivo di verificarne l’efficacia. Inoltre, sono stati riportati nella tesi i principali step costruttivi del primo magnete della serie, svolti presso l’azienda genovese ASG Superconductors.

The MBRD superconducting magnet is a separation/recombination dipole that will be installed at CERN for the LHC High-Luminosity upgrade. The upgrade involves a significant modification of the magnets installed immediately before and after the interaction regions of the two main experiments ATLAS and CMS. In particular, the MBRD magnet will have to provide a dipole magnetic field 30% higher than the current configuration (from 3.7 T to 4.5 T) in an aperture with a diameter greater than 30% (from 80 mm to 105 mm). The dedicated development plan involves the construction of a short model with a length of 1.6 m, a prototype with a nominal length of 8 m and six magnets of the series (4 + 2 spare). The thesis will describe the study carried out on the quench phenomenon (transition to the normal state of a superconducting magnet), with the aim of simulating the behavior of the protection scheme of the MBRD magnet to verify its effectiveness. Through the use of two different software, ROXIE and LEDET, two models have been implemented. They can predict the behavior of the magnet in the event of a quench. It was necessary to optimize and validate the models by comparing the simulations and the experimental data obtained during the test campaign carried out at CERN on the short model of MBRD. The optimized models were finally used to predict the behavior of the protection system of the prototype and of the series magnets, with the aim of verifying their effectiveness. In addition, the main construction steps of the first magnet of the series, carried out at the Genoese company ASG Superconductors, were reported in the thesis.