Stato del progetto MAGIX Giovanni Volpini a nome della collaborazione Catania, riunione CSN V, 23 luglio 2014.

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1 Stato del progetto MAGIX Giovanni Volpini a nome della collaborazione Catania, riunione CSN V, 23 luglio 2014

2 MAGIX & INFN participation to HL-LHC 2 MAGIX WP1CORRAL Design, construction and test of the five prototyes of the corrector magnets for the HL interaction regions of HiLUMI WP2 PADS 2D & 3D engineering design of the D2 magnets WP3SCOW-2G Development of HTS coil for application to detectors and accelerators WP4SAFFO Low-loss SC development for application to AC magnets MAGIX is a INFN-funded research project, (GrV, «Call») whose goal is to develop superconducting technologies for application to future accelerator magnets. It includes four WP’s, two of which are relevant to HL-LHC 2014-2017, 1 M€ + personnel funds CERN-INFN Collaboration Agreement INFN already involved in FP7- HiLumi (UE-HILUMI, GrV) WP2 beam dynamics, LNF WP3 magnets, MI-LASA WP6 cold powering, MI-LASA 1 2 Approved by the INFN Board of Directors & signed by INFN President on June 2014; signed by CERN DG on July 17th. CERN endorses MAGIX WP1 & WP2 deliverables and milestones, contributing with 527 k€ Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014

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4 Aspetti economici dell’accordo Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014 4 CostsCERN contribution Personale521,900 €50%260,950 € Materiali per la costruzione magneti 113,000 €75% 84,750 € Costruzione & collaudo 363,000 €50%181,500 € Missioni, costi laboratorio, attrezzature 305,000 €0% 0 € 527,200 € Tempistica pagamenti: 20% D1.1 a Marzo 2014 10% D1.1 b Marzo 2015 10%... 10% … 10%... 15% … 10% … 15% … Giugno 2017 781,000 € Costi WP1 (679k€) + WP2 (102 k€) di MAGIX 93 m.u. (WP1) + 18 m.u. (WP2) (da MAGIX, solo personale INFN)

5 WP1CORRAL CORrettori per le Regioni di interazione ad Alta luminosità di Lhc. Obiettivo: progettazione, costruzione e collaudo dei prototipi di cinque magneti correttori multipolari per le regioni di interazione ad alta luminosità di LHC, sulla base delle richieste del progetto HL-LHC dal CERN. Verrà verificata operativamente, sia in fase di progetto che attraverso la costruzione di prototipi, la fattibilità di soluzioni che utilizzino il MgB 2 anziché il più convenzionale Nb-Ti. Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014 5

6 Name Orientation Order Aperture Int strenght at radius = 50 mm Magnetic length Wire diameter Yoke o uter radius Stored energy Weigth -mmTmmmm kJkg QuadrupoleS21501.000.8070.7230.024.61000 SextupoleN/S31500.0600.1110.5160.01.380 OctupoleN/S41500.0400.0870.5160.01.470 DecapoleN/S51500.0300.0950.5160.01.475 DodecapoleN61500.0860.4300.5160.04.3250 DodecapoleS61500.0170.0890.5160.01.075 magnet characteristics Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014 6

7 Quadrupole 7 yoke bore coil Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014 891 460 J eng (overall) ~ 300 A/mm² B peak coil = 2.97 T

8 Symmetric flux return plate round bore flux return plate Iron yoke total length 800 mm HX hole D60 @ r = 185 mm

9 Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014 9 Octupole Discussed with a mechanical workshop the yoke lamination manufacture technology: laser cut followed by EDM (final accuracy 1/100 mm) on the relevant surfaces: poles, coil slots, alignment slots. 5.8 mm thick iron laminations.

10 NbTi SC wires Bruker-EAS NbTi for Fusion application Fine filaments PF wires Wire type 2 Cu:NbTi ≈ 2.30 Number of filaments 3282 Filament diameter ≈ 8 μm @ 0.73 mm Two wire diameters: 0.5 and 0.7 mm S2-glass insulation 0.14 mm thick (on diameter) Jc (NbTi only) 3,000 A/mm² @ 4.2 K, 5 T An order for 8 km (0.5 mm) + 8 km (0.7 mm) has been placed in Feb 2014. Delivery in June 2014. Small problem met, delayed to August –September 2014. Luvata Pori OK3900 Cu:NbTi ≈ 2.00 Number of filaments 3900 wire diameter 0.575 mm Filament diameter ≈ 5.3 μm Bare wire An order for 20 km has been issued, material delivered - Small wire (low operating current), but not too small (must be easy to handle, insulation should not reduce too much the Je); - High Cu content (again, low operating current, protection (4-pole)); - From the shelf product: small amount required (tens of kg); -Small filament: not a strict requirement, but these magnets are designed to operate in the whole range 0 A to Imax; 10 Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014

11 11 Il progetto di riferimento utilizza un filo in NbTi, tecnologia pienamente matura. In alternativa, stiamo considerando la fattibilità dell’impiego di MgB 2, garantendo così margini di temperatura superiori, utili in un ambiente sottoposto a un elevato carico termico generato dalla radiazione proveniente dal punto di interazione. (Tc: NbTi 9.2 K, MgB 2 39 K). Qualificante sia per la novità tecnologica, sia per le ricadute industriali (l’italiana Columbus Superconductors è una delle due o tre ditte in grado di realizzare un simile materiale a livello mondiale), e da seguito ai risultati del progetto Marimbo (INFN, GrV, 2005-2007) la costruzione e il collaudo con pieno successo di un dimostratore di dipolo superferrico in MgB 2. Emesso un ordine alla Columbus Superconductors per: - 1000 m di nastro 3.00 x 0.50 mm 2 contenente 19 filamenti superconduttivi in in MgB 2 in matrice di Ni, stabilizzato con Cu esterno polveri Boro 95%. I c @ 4 T 4.2 K 215 A PROVE DI ISOLAMENTO E AVVOLGIMENTO -2000 m di nastro analogo con polveri di boro alta purezza, I c 380 A Progettato e ordinato portacampione speciale per le misure di Ic su nastro a 4.2 K in campo MgB 2 Fra i problemi da affrontare per l’applicazione del MgB 2 : -elevato raggio minimo di curvatura (>60 mm); -densità di corrente ancora relativamente basse, confrontate al NbTi; -tecniche di realizzazione delle connessione elettriche all’interno delle bobine e fra di esse. Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014

12 winding and insulation 12 Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014 Insulation scheme: -wire w/ S2 glass 0.14 mm thick (on dia) -ground insulation applied after removing the coil from the winding tool w/ two crossed, 50% overlapped, 0.13 mm thick S-2 glass tape (total 0.52 mm) Use of polyimide-insulated wires discarded since: -neither European company is able to provide kapton insulated wire, at least for such small supplies; -could not identify an external supplier for dip coating, but only tape coating; -doubtful behaviour during impregnation w.r.t. fiberglass: is polyimide porous enough and does it stick well to the resin? Winding machine: -Commercial winding machine -Home-developed braking system, controlling the wire tensioning between 0.5 and 20 kg ;

13 Impregnation mould Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014 13

14 Oven & impregnation Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014 14 Temperature monitored with a PT100 on the mould, in agreement within +/- 1°C wrt the set temperature (in stationary conditions) CTD-101K resin

15 Coil assessment 15 Coil assessment - Coil resistance @ RT, inductance measurements; -Ground insulation test @ 5 kV (different techniques) > 8 GΩ Dimensional measurements; w/ gauge, w/ optical measuring apparatus -> mould parts misaligned, tolerances of +/- hundredths seem feasible -Thermal shock @ LN on coil and on resin sample -> some crack in the coil, near bubbles, but not only. No crack in resin sample -> OK -Repeat resistance & ground insulation test -> OK -Cut & cross sections ->TBD NDT list & procedures will evolve into a MCP Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014

16 16 ID 510 2700 Test cryostat A new cryostat, to be fit inside the DISCORAP magnet test station, has been designed. This allows to use the exsisting services (current, LHe feed and GHe recovery, signals, etc.) Giovanni Volpini, CdS Milano 8 luglio 2014

17 WP1CORRAL Milestone: M 1.1Completamento progetto ingegneristico del sestupolo luglio 2014 M 1.2Completamento della costruzione del sestupolo. dicembre 2014 M 1.3Progetto preliminare del quadrupolo in MgB2 settembre 2015 M 1.4Completamento costruzione di 4polo, 8polo, 10polo e 12polo.aprile 2016 M 1.5Completamento costruzione del quadrupolo in MgB 2. luglio 2016 M 1.6Completamento dei collaudi. ottobre 2016 Deliverable: D 1.1aProgetto preliminare 2D per le cinque tipologie di magnete. marzo 2014 D 1.1b Progetto preliminare 3D per le cinque tipologie di magnete marzo 2015 D 1.2Progetto esecutivo delle cinque tipologie. ottobre 2015 D 1.3Rapporto di test, con i risultati delle prove di qualificazione e dei collaudi effettuati sui magneti. Studio di fattibilità e progetto del 4polo in MgB2 dicembre 2016 D 1.4Cinque prototipi collaudati. dicembre 2016 Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014 17 ott 2014

18 WP2 PADS Progettazione dipoli di separazione (D2) per l’upgrade di luminosità di LHC. Trasparenze a cura di P. Fabbricatore Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014 18

19 MAGIX – PADS Sviluppo dei dipoli di separazione (D2) per l’upgrade di luminosità di LHC. Nello schema delle regioni di interazioni di LHC luminosity upgrade esistono due tipi di dipoli di separazione dei fasci, il D1 ed il D2. In particolare il D2 (quattro dipoli in totale) è previsto essere un dipolo del tipo due-in- uno, ovvero un dipolo simile ai dipoli dell’anello principale ma con i campi magnetici diretti nella stessa direzione. Quest’ultima caratteristica complica molto il design perché i campi delle due bobine non si compensano e ci sono zone di ferro saturate che danneggiano la qualità di campo. Calcoli preliminari effettuati al CERN mostravano valori alti di b2 (60-70 unità) e fortemente dipendenti dalla saturazione del ferro (vedere confronto con i dipoli dell’anello). Successivamente lavori a BNL e LBNL hanno mostrato che si possono raggiungere 10 unità con bobine asimmetriche molto complicate Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014 19 Pasquale Fabbricatore

20 Attività prevista presso INFN Genova nel 2014 Le attività di progettazione magnetica del dipolo D2 dovevano cominciare solo nel 2015 con la prima milestone prevista per Giugno 2015 (Design magnetico 2D). Tuttavia è stata espressa dal CERN la necessità di anticipare le attività di design magnetico in modo da avere già nell’estate del 2014 un’idea chiara del possibile lay-out di questi magneti. E’ stato quindi fatto uno sforzo progettuale che ha impiegato circa 5 m.u. totale dei partecipanti ed ha condotto a un risultato eccellente in relazione al possibile lay-out 2D. L’idea da cui siamo partiti è stata di sviluppare un magnete in cui le bobine sono speculari ma hanno un’asimmetria nei due rami. Questa soluzione accoppiata con un’ottimizzazione della geometria del ferro ha dato un’ottimo risultato in termini di qualità di campo. Sono state trovate 4 possibili configurazioni. Quella mostrata è quella scelta ed è designata come INFN_3_3_3 Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014 20 Pasquale Fabbricatore

21 La configurazione delle singole bobine è solo leggermente asimmetrica. Questo semplifica la costruzione. Il giogo è stato ottimizzato con forme particolare e con un foro di shim. Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014 21 Pasquale Fabbricatore

22 CharacteristicsUnitsValue Aperturemm105 Number of apertures 2 Distance between aperturesmm188 Cold mass outer diametermm570/630 Magnetic lengthm7.78 Bore fieldT4.5 Peak fieldT5.2 CurrentkA12.0 TemperatureK1.9 Loadline margin(%)35 Overall current densityA/mm 2 461 Stored energy per meterMJ/m0.284 Differential inductance per metermH/m3.51 Stored energyMJ2.21 Caratteristiche principali di INFN_3_3_3 Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014 22 Pasquale Fabbricatore

23 Breakdown attività e milestones In base alle attività già effettuate e a una maggiore definizione degli obiettivi (rispetto alla formulazione dei preventivi lo scorso anno), le milestone si modificano come segue: 1) Design magnetico 2D mirato a minimizzare il cross talk tra i due dipoli Luglio 2014 2) Design magnetico 3D con lo studio delle testeDic.2014 2) Design meccanico 2DDic. 2014 3) Considerazioni preliminari in relazione al quench Giugno.2015 4) Design meccanico 3D con studio del pre-carico assialeDic..2015 5) Enginering design per un modello corto Dic 2015 6) Engineering Design Dic 2016 Alla fine di queste attività si vuole avere la sezione del magnete definita nei minimi dettagli e un disegno complessivo del layout 3D del magnete. Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014 23 Pasquale Fabbricatore

24 SuperCOnducting Windings - 2G tapes Obiettivo: Progettazione, realizzazione e caratterizzazione di avvolgimenti dimostrativi a doppio pancake realizzati in YBCO coated conductors, per verificare l’applicabilità di questa tecnologia alla realizzazione di magneti in alto campo, quali ad esempio quelli richiesti nei canali di raffreddamento muonici. Responsabile: Umberto Gambardella (SA) Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014 24 WP3SCOW-2G

25 WP3 - status Situazione ordini al 30.06.14 100 m SuperPower (€ 8.378) consegnati 200 m SuNAM (€ 6.100) consegnati 100 m STI (€ 4.721) Avviato il design supporti per doppi pancake, e stabilita la procedura per avvolgimento ed impregnazione dei primi prototipi (diametro avvolg. 20 mm, 100 spire) per successive verifiche prestazioni. Primo design delle terminazioni. Nel secondo semestre saranno verificate le proprietà dei nastri acquistati e realizzate 3-4 piccole bobine per i primi test funzionali in bagno LN 2. In conclusione la milestone M3.1 è raggiunta nei tempi previsti Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014 25

26 Milestone M 3.1acquisto del nastro 2G, progettazione 1° formergiugno 2014 M 3.2realizzazione doppi pancake dicembre 2014 M 3.3prototipo a due pancake sovrappostidicembre 2015 M 3.4prototipo a 10 pancake sovrappostidicembre 2016 Deliverable D 3.1rapporto su tecnologia di realizzazione (impregnazione, splicing, etc.) avvolgimenti con YBCO 2G tapedicembre 2014 D 3.2rapporto su tecnologie raffreddamento criogenico diretto ed indiretto a temperatura variabile su solenoidi con nastri 2Gdicembre 2015 D 3.3magnete prototipo (stack 10 pancake) ad alto campodicembre 2016 Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014 26 WP3SCOW-2G

27 WP4SAFFO Strand Analysis For Fast Operation Caratterizzazione criogenica di fili superconduttori a basse perdite AC Obiettivo: Analisi e caratterizzazione elettromagnetica in condizioni criogeniche dei fili superconduttivi in NbTi di 3a generazione per applicazioni a magneti rapidamente pulsati, inclusiva di misure di magnetizzazione, misura delle correnti critiche di trasporto e misura della suscettività AC. Unità partecipanti e ruoli Sezione di Napoli (Gruppo di Salerno) misure magnetizzazione; Sezione di Milano: misura correnti critiche di trasporto; Sezione di Genova: misura suscettività AC. Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014 27

28 Analisi magnetizzazione DC, densità di corrente critica Dal modello di Bean di stato critico segue una relazione tra la densità di corrente critica e la differenza di magnetizzazione tra i rami I e IV del ciclo di isteresi; nel caso di un cilindro in campo trasverso abbiamo: Dalle misure magnetiche: Dalle misure di trasporto Confrontando queste densità di corrente critica possiamo risalire al diametro efficace dei filamenti Federico Quero, Univ. e INFN SA WP4 SAFFO Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014 28

29 Analisi suscettività AC Andamento della differenza di tensione fuori fase allo stato superconduttivo e allo stato normale in frequenza per vari campi DC applicati B = 0.2T τ=1.11 ms B = 0.5T τ=0.94 ms B = 1.0T τ=0.76 ms B = 2.0T τ=0.68 ms B = 5.0T τ=0.45 ms Y=A+Bx A=5.39 10 -10 Ω m B= 1.49 10 -10 Ω m/T misurata progetto Federico Quero, Univ. e INFN SA WP4 SAFFO Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014 29

30 WP4SAFFO Milestone: M 4.1Ricezione del filo superconduttore Aprile 2014 M 4.2Completamento delle misure criogenicheNovembre 2014 Deliverable: D 4.1Rapporto di misura finaleDicembre 2014 Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014 30

31 WP4SAFFO Risk Assessment P 4.1Il principale problema è rappresentato da un ulteriore ritardo o addirittura dalla mancata consegna del filo superconduttore da parte della ditta, che ha già fatto registrare numerosi ritardi. S 4.1Un posticipo delle misure (previste nel 2014) agli anni successivi non dovrebbe influenzare significativamente il progetto nel suo complesso visto che le risorse coinvolte rappresentano solo una piccola frazione del progetto nel suo complesso. Nel caso la ditta fallisca definitivamente la manifattura, questo WP verrebbe cancellato. Il filo, realizzato nell’ambito di NTA-DISCORAP, rappresenta già in quel contesto un’azione di sviluppo ulteriore (e quindi a maggiore rischio) rispetto ai livelli raggiunti con le prime due generazioni, e non è quindi preliminare a ulteriori parti di questo progetto, né attualmente di altri. Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014 31

32 INFN-CERN Agreement, signed by INFN President and CERN DG in June-July 2014 32 Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014

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34 Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014 34 The End

35 35 D2 Q4 design responsabiltà

36 Modalità di test a) LN2, self-field; b) Stazione «cryogen free» Cryocooler, self-field, I fino 400 A (modifica passanti di corrente); c) Forced flow test station; d) Stazione «cryogen free magnet» 12 T cryogen free @ Salerno, D80 nel controcriostato T fino a 63 K (subcooled LN2); e) ENEA, criomagneti a 4.2 K; Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014 36

37 Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014 37

38 Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014 S-2 tape, 0.13 mm thick, delivered at LASA; Duratron plates delivered at LASA; 1st CTD-101K resin batch delivered (CERN order); 4 iron plates (580x3975 mm 2 ) ex-LHC to be delivered from CERN to LASA for the sextupole manufacture; Impregnation mould teflon coated at an external company; First impregnation test performed; Curing oven refurbished and tested with the CTD-101K resin; Winding machine being upgraded with a new wire tensioning system; 1 year contract, HiLumi funded, for a physicist, Luca Somaschini, to follow corrector magnets manufacture QA and room temperature and cryogenic tests, started on May 5th, in addition to the established technical staff (~3 FTE). procurement of other materials and activity status @ LASA 221/II 108/I 38

39 Sestupolo 39 Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014 123