Supergeleidende magneten in LHC. De beperktheid van traditionele magneten dwingen fysici supergeleidende

Transcriptie

1 Supergeleidende magneten in LHC De beperktheid van traditionele magneten dwingen fysici supergeleidende magneten te gebruiken

2 Magnetiserende veldsterkte H, permeabiliteit, magnetische veldsterkte B De permeabiliteit is een maat voor de magnetische effecten in een materiaal tengevolge van H Een sensor voelt het gevolg van dit samenspel, en meet dus de resulterende magnetische veldsterkte B H Het is B die de grootte van de afbuigende lorentzkracht bepaalt die de protonen op hun circulaire baan houdt, F Q v B B

3 In extreme gevallen... De Weissgebieden in ferrometalen spelen een sleutelrol: hoe meer zij met het extern aangelegde veld H mee oriënteren hoe groter de permeabiliteit µ van de stof Als H zeer groot wordt zijn er uiteindelijk geen bijkomende gebieden meer die zich met het veld mee kunnen oriënteren: de toename van µ wordt kleiner en kleiner In de praktijk bereikt B een maximale waarde van 2T

4 Wat nu? Boven 2 T kan de middenstof het uiteindelijke veld B niet meer helpen toenemen. Om sterkere velden te maken kan alleen het magnetiserende veld H vergroot worden door sterkere stromen te gebruiken, B N l I maar dan wordt de spoel warm door haar Ohmse weerstand: de opgewekte warmte hangt kwadratisch af van de stroomsterkte!!

5 Limieten Een magneet van 0,3 T zoals in de LEP-versnellermachine gebruikt werd heeft een vermogen van 20 kw per magneet. Er werden 500 dergelijke magneten gebruikt zodat men, enkel voor de magneten al 10 MW vermogen nodig had.

6 magneten bij de LHC? De LHC heeft 1232 afbuigmagneten van 8,5 T tot 9,0 T en meer nodig, met stroomsterkten van A à A. Men kan met gewone magneten dergelijke veldsterkten niet opwekken, het koelprobleem zou immers onoverkomelijk zijn.

7 Er is maar één oplossing: supergeleiding! De Ohmse weerstand wordt naar bijna NUL teruggebracht door gebruik van supergeleidende draden: een legering van niobium en titaan. Alles moet dan wel gekoeld worden tot ongeveer 1,9 K N De formule B I met constante µ blijft geldig. l Men heeft nog steeds een ijzeren poolschoen nodig, zowel voor de mechanische sterkte van de magneet als voor het terugplooien van het veld. Plooit men het veld niet terug, dan veroorzaakt men grote storende inductie-effecten in de rest van de opstelling.

8 De spoel zelf speelt nu de hoofdrol Aangezien de rol van de middenstof, ook qua vorm uitgespeeld is, speelt de vorm van de poolschoen niet langer een rol. Enkel de spoel zelf bepaalt grootte en vorm van het veld. De oppervlakte van de spoel moet perfect horizontaal liggen, met een verticaal veld. Dat moet extreem homogeen zijn. De windingen zelf moeten perfect gewikkeld zijn: de afwijkingen mogen slechts enkele µm bedragen, op een totale lengte van 12 meter.

9 Het magnetisch veld Het veld moet ook erg stabiel zijn: de stroomsterkte moet constant gehouden worden De LHC gaat twee protonenbundels versnellen, in tegengestelde zin Beide bundels moeten even sterk afgebogen worden, de stroom vleoit daarom in serie door de twee spoelen Om in het centrum van de pijpen een perfect verticaal veld te krijgen moeten de windingen sinusoidaal gewikkeld worden

10 het hart van de magneten

11 De draden zelf Nb-Ti legering (niobium-titaan) Een kabel bestaat uit draden die uit bundels van bundels van uiterst dun gewelde draden bestaan

12 Dwarsdoorsnede van de magneet Bundelpijpen 23 in sinus gestapelde windingen, in serie met de «overkant» Ijzeren middenstof om het magnetisch veld om te buigen

13 Het geheel, inclusief koeling 06/12/2009

14 Opmerkingen. Het helium dat gebruikt wordt als koelmiddel moet voortdurend stromen Het helium zelf warmt lichtjes op, het moet dus voortdurend gekoeld worden Om ton materiaal koel te houden heeft men 90 ton helium nodig, dit is de productie van heel de wereld gedurende een heel jaar