Istituto Nazionale di Fisica Nucleare | INFN Acceleratori

RETI per superconduttori, magneti e criogenia

Una Rete INFN per Magneti Superconduttori e Tecnologie Associate (MS&TA)

6/9/2021  P.Fabbricatore

 

Presupposti per la creazione di una rete di Magneti Superconduttori.

 

  1. Esiste una realtà consolidata di laboratori INFN che operano dei Magneti Superconduttori e di una serie di Tecnologie Associate.

L’INFN può contare su tre laboratori con lunga esperienza nel campo della superconduttività applicata nei cavi e nei magneti. Si tratta dei laboratori di Genova, Milano e Napoli/Salerno.

 

  • Il laboratorio di Genova opera sin dagli anni 80 ed ha esperienza sia nella progettazione e costruzione di magneti (BaBar, CMS, FAIR SIS300, Mu2e TS, D2 per HL-LHC) che nella caratterizzazione di cavi superconduttori. A tali attività si affianca un continuo lavoro di ricerca che spazia dallo studio della transizione allo stato normale di cavi superconduttori, alle dissipazioni in regime variabile, ai magneti per applicazioni del futuro (per es. applicazioni spaziali).Può contare su una facility di misura (Ma.Ri.S.A.), progettata in casa, che da 35 anni è operativa (dai cavi dei dipoli di HERA negli anni 80 fino ai più recenti conduttori per Mu2e). Il laboratorio ha una tradizione in misure speciali (per esempio perdite in superconduttori attraverso la misura della suscettività ac).
  • Il laboratorio di Milano LASA (INFN e Università degli Studi di Milano), avviato negli anni ‘80 dello scorso secolo con la progettazione, costruzione e commissioning del ciclotrone superconduttore (ora ai LNS di Catania), ha accumulato esperienze di progettazione di magneti superconduttori quali: solenoide sottile ZEUS, primi dipoli prototipo per LHC, ATLAS-B0 e ATLAS-BT, FAIR SIS300, magneti super-ferrici per HL-LHC). Ha esperienza di misure su strand e cavi e, date le dimensioni del laboratorio, di test di magneti (prototipo per SIS300, superferriciper HL-LHC). La facility SOLEMI (SOLEMI 1 da 8 T con bore caldo di 550 mm, SOLEMI 2-3 da 13 T con bore freddo di 100 mm, entrambi progettati in casa) si presta anche a calibrazione di rivelatori in campo magnetico. Il laboratorio è attrezzato per misure meccaniche da 4 a 300 K, misure di qualità di campo magnetico e di conducibilità termica a bassa temperatura.
  • Il laboratorio di Salerno è più recente, ma può contare su personale di consolidata esperienza e negli ultimi anni si è segnalato per misure magnetiche su superconduttori. Attualmente il laboratorio (denominato THOR) si è strutturato per test di magneti superconduttori con elio supercritico per acceleratori e sta effettuando i test a freddo dei magneti superconduttivi correttori nei moduli di quadrupolo per l’acceleratore SIS100 di FAIR a GSI (Darmstadt).

 

In aggiunta a questi laboratori esistono altri centri che utilizzano varie tecnologie legate ai magneti superconduttori  all’interno dell’INFN:

1) Laboratori che hanno sviluppato/usato magneti superconduttori o apparati criogenici per applicazioni large scale. In questi laboratori esistono competenze/conoscenze di magneti superconduttori e/o  criogenia (Laboratori di Frascati, Laboratori di Legnaro e Laboratori del Sud)

2) Laboratori con una grossa esperienza nel raffreddamento a basse e bassissime temperature (da Ar liquido fino ai mK) per rivelatori di particelle di dimensioni rilevanti  (Milano-Bicocca, Laboratori del Gran Sasso e gli stessi Laboratori di Legnaro). Inoltre, la costituenda collaborazione intorno al progetto di telescopio gravitazionale criogenico “Einstein” svilupperà progettazione e costruzione di apparati criogenici (20 K) su larga scala. Infine gli sviluppi di quantum computing richiedono un’infrastruttura criogenica.

 

In una visione allargata, tutti questi laboratori/sezioni/progetti potrebbero avere un ruolo nella rete MS&TA .

 

  1. I laboratori dedicati a magneti superconduttori sono complementari e già lavorano parzialmente in modo integrato

 

In relazione alle sole attività di misura e caratterizzazione, i laboratori sono complementari. Nel corso degli anni le attività effettuate sono state:

  • 1) Correnti critiche in cavi di grandi dimensioni a correnti dell’ordine delle decine di KA; 2) Misure magnetiche ac; 3) Misure di corrente critica su fili a temperature variabili; 4) Misure di scambio termico.
  • Milano LASA. 1) Correnti critiche e giunzioni su fili e cavi; 2) Conducibilità termica a basse temperature; 3) Misure meccaniche a basse temperature; 4) Test di magneti superconduttori di dimensioni medio-grandi in criostati verticali.
  • Misure magnetiche (Suscettività e magnetizzazione). Test di magneti superconduttori raffreddati con elio supercritico in criostato orizzontale.

 

I tre laboratori già utilizzano le diverse competenze e le diverse possibilità di misura per lavorare in modo integrato su progetti. Un esempio è stato il progetto NTA-DISCORAP per lo sviluppo dei dipoli SC a carica rapida per FAIR SIS300. Le attività di progettazione sono state suddivise tra i laboratori (Milano - progettazione magnetica e termica; Genova - progettazione meccanica; Salerno - progettazione criogenica). Le caratterizzazioni dei cavi sono state suddivise in base alle specifiche competenze. La costruzione del magnete (lunghezza del dipolo 3.8 m) è stata affidata all’industria (su progetto INFN)  e il test del magnete è stato effettuato al LASA.

Un altro esempio di attività coordinata è il progetto MAGIX (call CSN5) mirato a sviluppare magneti per Hi Luminosity LHC. Attualmente i laboratori di Genova e Milano stanno sviluppando insieme un modello di dipolo superconduttore ad alto campo (progetto FalconD) per il futuro collider adronico, come pure magneti SC per adroterapia (Gantry SC per ioni).

 

Possibile struttura della Rete MS&TA

 

La struttura e lo statuto della rete MS&TA ricalcano quelle delle reti di INFN-Acceleratori, sia nella governance (centrato su un team di coordinamento), che nella parte operativa, ossia è formata inizialmente da nodi, ciascuno con un proprio coordinatore. Data la centralità dei magneti superconduttori, la rete include le  strutture di INFN Genova, LASA-Milano  e INFN Napoli-Salerno. A questi si dovrebbero aggiungere i laboratori/sezioni INFN che hanno competenze (anche passate) su magneti superconduttori e tecnologie associate quali: INFN-LNL, INFN-LNF e INFN-LNS, che dovrebbero esprimere un singolo coordinatore per tutti i laboratori.

Infine ci sono i laboratori INFN coinvolti nello sviluppo di sistemi di raffreddamento di grandi dimensioni per rivelatori/antenne come  INFN-MIB, INFN-LNGS e ancora INFN-LNL che potrebbero esprimere congiuntamente il quinto membro del comitato di coordinamento.

Tutti questi laboratori INFN costituiscono il nucleo centrale della rete a cui si potrebbero aggregare una serie di infrastrutture esterne all’INFN come CNR-SPIN-Ge , ENEA, UniGe, UniMi, UniSa, UniBo, UniTS, Polito, e altri che verranno.

La rete si propone di avere un contatto con l’industria a solo scopo di scambio di informazioni. La modalità di inclusione dell’industria è ancora ipotetica e va definita ed eventualmente confermata.

 

La governance è strutturata come segue:

 

 

Modalità di formazione della rete

 

  • In un primo step è necessario che i tre laboratori di Genova, Lasa-Milano e Salerno discutano al loro interno l’idea della rete MS&TA con le informazioni fornite da coordinatori locali (per ora preliminari).
  • Entro un mese circa (fine Settembre 2021) il primo meeting della rete (per ora ancora ristretta) dovrebbe ratificare la nascita della rete e discutere sul suo allargamento.
  • Nel mese successivo (Ottobre 2021) occorre lavorare sull’allargamento della rete ai laboratori INFN più coinvolti nelle Tecnologie Associate ai Magneti e alla Criogenia per rivelatori di grandi dimensioni. I gruppi coinvolti vanno contattati per arrivare poi ad una sintesi in un secondo meeting a Novembre 2021 (o Dicembre) , che si potrebbe configurare come un workshop in cui non solo viene definita la struttura finale della rete, ma i vari laboratori presentano le loro attività nel settore specifico mettendo in evidenza le necessità di supporto, le idee per il futuro e i programmi a cui si partecipa.

 

 

 

 

 

 

 

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