Stato del progetto MAGIX Giovanni Volpini a nome della collaborazione Frascati, riunione CSN V, 27 luglio 2015.

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1 Stato del progetto MAGIX Giovanni Volpini a nome della collaborazione Frascati, riunione CSN V, 27 luglio 2015

2 MAGIX & INFN participation to HL-LHC MAGIX WP1CORRAL Design, construction and test of the five prototypes 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 CERN endorses MAGIX WP1 & WP2 deliverables and milestones, contributing with 527 k€, through the collaboration agreement KE2291/TE/HL-LHC

3 Economic Plan CostsCERN contribution Personnel521,900 €50%260,950 € Materials for magnet construction 113,000 €75% 84,750 € Costruction & test363,000 €50%181,500 € Travels, lab operation, tooling, R&D activities 305,000 €0% 0 € TOTAL527,200 € 781,000 € WP1 (679k€) + WP2 (102 k€) 93 m.u. (WP1) + 18 m.u. (WP2) (INFN personnel only, no University employees) Payment linked to deliverables Giovanni Volpini CERN, 30 June 2015

4 Giovanni Volpini, CERN 30 June 2015 Schedule

5 Milestones &Deliverables Giovanni Volpini, CERN 30 June 2015 50% June 2015 The INFN-CERN collaboration steering committee (F Bodry, L Rossi, E Nappi A Zoccoli) has endorsed the work done so far, authorized the transfer to INFN of 260 kE, in return of the deliverables completed so far.

6 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 sia in fase di progetto che attraverso la costruzione di un prototipo, la fattibilità di soluzioni che utilizzino il MgB 2 anziché il più convenzionale Nb-Ti. Giovanni Volpini, CSN V, Catania 23 luglio 2014 6

7 Corrector magnet inventory From 6-pole to 12-pole magnets exist in both normal and skew form (the latter is shown) 150 OD320 The superferric design was chosen for ease of construction, compact shape, modularity, following the good performance of earlier corrector prototype magnets developed by CIEMAT (Spain). 150 OD460 Mechanical support Iron yoke SC Coils Giovanni Volpini, CERN 30 June 2015

8 Sextupole layout 5.8 mm thick iron laminations, machined by EDM CuBe TieRods 194 Flux-return plates Bridge Yoke Coil D320 Wedge

9 Giovanni Volpini CERN, 26 February 2015 Insulation scheme: -wire w/ S2 glass 0.14 mm thick (on diameter) -ground insulation: G11, 2 mm thick plates on both sides of the coil, including the wire exits G11 thin, flexible layer on the inner wall of the coil; S2 tape on the outer wall Coil winding & impregnation tooling Base plate Resin inlet/outlet mandrel Top plate Closing cap (defines the impregnation chamber)

10 Winding station Telecentric camera system Controlled wire tension 10 N (51 MPa)

11 Single Coil Sample Holder z y x Goals: 1)To test a coil in “realistic” conditions to identify major faults in the design/assembly; 2) To commission the “small” magnet test station, to be used to test sextupole, octupole and decapole

12 Test results First test at 4.2 K Current increased by steps at 0.3 A/s. Quench induced with heaters at 90, 160, 200 and 220 A. Ramp up to 260 A (no quench induced at this current value by choice). No spontaneous quench occurred. Test at subcooled LHe Significant heat load in the bath prevents from reaching a temperature lower than 2.5 K. Main reason is the thermal shield, whose temperature decreases very slowly. Current ramp up to quench. Four training quenches occurred at 295 A (2.56±0.04 K) or 80% of the s.s. at this T 318 A (2.60±0.04 K) or 87% “ 329 A (2.72±0.05 K) or 91% “ 325 A (2.85±0.06 K) or 91% “ Training at 4.2 K Current ramp up to quench at 0.3 A/s First quench at 280 A, then repeated increasing the ramp rate up to 5.7 A/s (limited by power supply in this configuration). In total 14 quenches at 280 A, or 95% of the s.s. limit. E.M. Forces A magnetic plate creates along the normal of the coil plane an e.m. force pattern more resembling to that experienced by a coil during its operation inside the magnet. Fx (normal to the coil plane, half coil) 2.9 kN @ Iop, here reached at about 300 A Fy (normal to long axis, half coil) 1.5 kN @ Iop, “ 250 A Fz (normal to long axis, half coil) 0.6 kN @ Iop, “ 180 A The magnet operates at 40% on the load line Green light to the magnet construction !

13 Giovanni Volpini CERN, 30 June 2015 Coil Sextupole assembly Duratron plate Cu traces for coil-to-coil junctions Iron laminations s.s. rings

14 14 MgB 2 development We are focusing the desing around an innovative solution. We call it Round Coil Superferric Magnet (RCSM) Simple, circular coil shape, cost effective. Expecially suited to strain-sensitive materials, like MgB 2 We consider a sextupole configuration; different multipoles may be realized replacing the iron Preliminary design (milestone M1.3) almost completed.

15 15 Old & Older

16 A rule (symmetry) changer G. Volpini, J. Rysti CERN 15 July 2015 A RCSM is invariant by 120 degree rotation. A rotation by 60°, amounts to a “mirroring” w.r.t. a plane normal at z-axis, at z=0. No change in current. No overall mirror symmetry. No matter how a sextupole magnet is done, it is invariant by a 120 degree rotation. A 60 degree exchanges the “north” and “south” poles; if we reverse the current direction as well, the field is globally unchanged! This difference of the symmetries has profound consequences on the harmonics properties: a “traditional” layout has no even (“forbidden”) harmonics, and no net solenoidal field; a RCSM has also even harmonics, that vanish when integrated from -∞ to +∞, and a net solenoidal field. More complex configurations may suppress the latter, at the price of net even harmonics.

17 17 Finanziamento 2016 Giovanni Volpini CSN V Frascati, 27 luglio 2015

18 18 Persone coinvolte + 1 tecnologo TD a partire da settembre 2015

19 Giovanni Volpini CSN V Frascati, 27 luglio 2015 19 WP1 Revised schedule to completion From the minutes of the CERN-INFN steering committee: “There is a potential 6 month delay (that so far has not impacted on Deliverables) due to longer design and R&D. It will appear as delay of next deliverable. However, G. Volpini is confident that part of the delay is recoverable, and the potential delay on the last deliverable could be of the order of three months. The CERN coordinator expresses an extremely positive judgement on the work done so far and supports the effort of INFN to recover the schedule without impacting of the quality of the work. However, the correctors are not on the critical path of HL LHC IR magnets schedule.”

20 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 201420

21 Close to IR (ATLAS and CMS) two D2 magnets (one per side) have the same field orientation High harmonics due to cross talk!!!! The central critical point of D2 magnets Preliminary studies (BNL):

22 Since the magnet suffers from magnetic cross talk between the two coils, we need to actively compensate this cross talk in a wide magnetic field range in the two apertures. This was done involving a strategy based on three pillars: a)No iron is placed in between the coils (so limiting saturation effects); b)Each coil is asymmetric in a way to cancel the magnetic cross talk each other. c)The yoke is suitably profiled for keeping constant the harmonic components. Based on these concepts a 2D magnetic optimization was carried out leading to an acceptable field quality with a limited variation of the multipoles as the magnet field is raised from the injection value to the maximum value (4.5T). A solution was found!

23 Configuration INFN_3_3_6 2D Lay-out Dx Dy R RhRh

24 Main Characteristics CharacteristicsUnitsValue Aperturemm105 Number of apertures 2 Distance between apertures (cold/warm)mm188.00/ 188.45 Cold mass outer diameter (min/max)mm570/630 Magnetic lengthm7.78 Bore fieldT4.5 Peak fieldT5.20 CurrentkA12.050 TemperatureK1.9 Loadline margin(%)35 Overall current densityA/mm 2 443 Differential inductance per metermH/m3.509 Stored energyMJ2.18 Differential inductancemH27.3 Superconductor Nb-Ti

25 Field quality b2 and b3 optimised at a B field slightly lower than 4.5 T (4.3 T)

26 Coil end design is 90% done End with connections

27 Integrated harmonics still to be optimised (ex. b3 int. -5 unit) b3 (black) and a3 (red) components in the connection end

28 Mechanics: Plan B (single collar) Before the two-collar option, a solution with a single collar was completely studied. Not satisfactory because the complexity of the assembly and the differential thermal contraction. However this solution is still there as plan B in case of major problems with double collar option.

29 Mechanical effects on b2 and be field harmonics (computed for a previous version)

30 Presently we have engineering drawings of the 2D cross section

31 The activities related to D2 development are progressing faster than foreseen The 2 D magnetic and mechanical designs were completed The 3D magnetic design is close to be completed Still to do: 3 D mechanical design, 3D engineering and quench analyses Conclusions

32 32 Finanziamento 2016 Giovanni Volpini CSN V Frascati, 27 luglio 2015

33 33 Persone coinvolte

34 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 34 WP3SCOW-2G

35 Giovanni Volpini, CERN 14 January 201435 1. La completa caratterizzazione, in termini di corrente di trasporto in funzione del campo applicato, di nastri di diversa fabbricazione (SuperPower, SuNAM e SupeOx). 2. Analisi delle problematiche di impregnazione e di terminazioni dei primi avvolgimenti. 3. Il potenziamento delle stazioni di test a temperatura variabile con campo magnetico di background e cryogen free. Attivita’ in corso

36 36 Apparato sperimentale Alle temperature di 77K, 70K e 65K, per ogni valore di campo magnetico è stata registrata la caratteristica I-V del nastro, ricavando da questa la corrente critica. Le misure sono state effettuate sia in flusso di gas che in bagno di azoto liquido pompato. La temperatura è misurata da un termometro Cernox. A destra è raffigurato un esempio di caratteristica I-V misurata, insieme all’andamento in temperatura La deriva termica è contenuta a 0.12 K. Magnete cryogen-free Portacampioni

37 Giovanni Volpini, CERN 14 January 201437 I confronti delle prestazioni tra questi nastri individuano come miglior nastro a zero campo quelli SuNAM, mentre per le prestazioni in campo (ad es. a 2T) i nastri SuperPower risultano decisamente migliori. Comunque il rapporto qualità/prezzo (o più precisamente $/kA m) risulta a favore di SuNAM, ed è con questo tipo nastro che intendiamo proseguire le attività. Caratterizzazione dei nastri YBCO 2G

38 Giovanni Volpini, CERN 14 January 201438 Per la realizzazione di avvolgimenti e’ necessario che le spire siano ben ferme, cosa che normalmente si ottiene impregnando i magneti con resine epossidiche. Nel caso dei nastri HTS 2G, gli stress termici tangenziali introdotti durante il raffredamento dalle contrazioni dell’impregnante sulla struttura esterna del nastro (cap layer in rame), facilmente degradano le prestazioni in corrente del nastro. Anche noi abbiamo riscontrato questo problema su diversi avvolgimenti di prova. Abbiamo quindi realizzato test coil da 5+5 spire impregnate con differenti soluzioni per la resina, ciclati più volte in bagno di LN2. Solo quando non si e’ manifestata degradazione alcuna in almeno 4 cicli termici siamo passati ad incrementare il numero di spire. L’ultima bobina di test è composta da 25+25 spire avvolte su un diametro di 40 mm e, con il tipo di resina messo a punto nelle precedenti prove, abbiamo riscontrato una sostanziale tenuta della corrente critica in autocampo a 77 K I c =90 A, rispetto a 4 cicli termici. Test avvolgimento e impregnazione

39 Giovanni Volpini, CERN 14 January 201439 Per il collaudo dei doppi pancake è stato attivato il VTI a flusso (Variable Temperature Cryostat) in He gas inserito nel magnete cryofree da 12 T. Questo rappresenta un sistema economico e flessibile per testare piccoli avvolgimenti realizzati su diametro utile di 40-50 mm. Con avvolgimenti da 50+50 spire (massimo stimato come dimensione avvolta su 40 mm compatibile con il nostro VTI) si potrebbero raggiungere campi >2T a 40 K (con bias da 200 A). Una delle attrezzature in corso di realizzazione nel 2015 riguarda la supporteria per il test dei pancake nel VTI a flusso di He comprensiva di un discendente che fornisce contemporaneamente il sostegno meccanico ed i discendenti di corrente. Attualmente i componenti sono in fase di lavorazione Attrezzatura per il collaudo dei doppi pancake Dopo la pausa estiva partira’ la realizzazione di un criostato in bagno di LN2 per il magnete cryofree, per alloggiare pancake con maggior numero di spire (a T= 65 K). Per questa attività esistono già disegni preliminari del contenitore in acciaio con diametro utile 80 mm. Restano da definire la supporteria ed i passanti di corrente per sostenere lo stack di pancake.

40 Giovanni Volpini, CERN 14 January 201440 E’ prevista la realizzazione di un avvolgimento compatibile con la modalità cryogen free. Per svolgere utilmente queste prove dovevamo incrementare le prestazioni dell’attrezzatura mostrata sopra (sx), innalzando la corrente dei passanti fino ad almeno 300 A. Ad oggi sono stati realizzati una coppia di adduttori di corrente HTS da 400 A con nastri ReBCO da 12 mm mostrati a dx. Nel 2016, quando sarà meglio definito il layout finale dello stack di pancake, ed i relativi former per la modalità cryogen free, si passerà alla progettazione dei componenti interni della camera Avvolgimento cryogen-free

41 Giovanni Volpini, CERN 14 January 201441 Nonostante un ritardo nell’avvio delle attività si ritiene che rispetto alla programmazione 2015 abbiamo raggiunto i seguenti risultati: 1.realizzata una stazione di test nel magnete cryogen free 12T con un inserto VTI a flusso forzato di He per misure su nastri HTS; 2.realizzato e testato uno dei componenti cruciali per la stazione di test cryogen free, cioè gli adduttori HTS da 400 A; 3.progettato il controcriostato in bagno LN2 per il magnete cryofree da 12T, adatto a contenere avvolgimenti di dimensioni fino a 80 mm; 4.progettato supporto per test pancake fino a 50 mm da inserire nel VTI in campo magnetico; 5.acquisito conoscenze sulle proprietà dei nastri di ultima generazione di fabbricanti diversi; 6.acquisito conoscenze per impregnare avvolgimenti senza degradazione delle prestazioni a seguito di cicli termici; 7.realizzate bobine “significative” (25+25 spire, con campo sul conduttore a ≈0.3 T in LN2) con primi approcci a terminazioni rigide.

42 Giovanni Volpini, CERN 14 January 201442 Nel 2016 il gruppo si concentrerà nella realizzazione dello stack a 10 pancake, da inserire nel VTI per raggiungere un campo da almeno 2T, e compatibilmente con le forze meccaniche, in presenza di un campo di background. Inoltre si avvierà la progettazione dello stack a 10 pancake in modalità cryogen free (raffreddato solo per conduzione) e la meccanica per l’inserimento nella camera cryogen free. Attività 2016

43 43 Finanziamento 2016 Giovanni Volpini CSN V Frascati, 27 luglio 2015

44 44 Persone coinvolte

45 The End

46 G. Volpini, J. Rysti CERN 15 July 2015 46 Now, let’s consider the case with an infinite number of RCSMs stacked on top of each other with alternating orientation (RCSM∞). Closest to a 2D case for these magnets. For the radial field, same symmetries apply as for RCSM1. Longitudinal field B z cancelled by successive magnets. Infinite Stack

47 z Two magnets with mirror orientation, and reversed current (RCSM2). G. Volpini, J. Rysti CERN 15 July 2015 Two coils

48 2D Mechanics

49 LHCHL-LHC Order Type Aperture Stored energy Operating Current Inductance Aperture Stored energy Operating Current Integrated field at r=50 mm Magnetic Length Differential Inductance @ Iop mm[J][A][mH][mm][kJ][A][T.m][m][H] 2S MQSX 702,11655014150 24.57 182 1.000.807 1.247 3N MCSXMCSTX 70391004.7150 1.28 132 0.060.111 0.118 3S MCSSX MCSOX 706507.8150 1.28 132 0.060.111 0.118 4N MCOX 70161004.4150 1.41 120 0.040.087 0.152 4S MCOSX 70221003.2150 1.41 120 0.040.087 0.152 5N150 1.39 139 0.030.095 0.107 5S150 1.39 139 0.030.095 0.107 6N MCTXMCSTX 70948029.2150 4.35 167 0.0860.430 0.229 6S150 0.92 163 0.0170.089 0.052 LHC vs. HL-LHC corrector magnet comparison chart 187/II Rev 9 July 2014 Giovanni Volpini, CERN 30 June 2015

50 Test Station 500 A current leads SC bus-bars Al-clad NbTi SC cable from Mu2e TS λ-plate for subcooled LHe operation Single coil test stand (later 6-pole …) coil under test 460 300