[論文レビュー] MQXFA Final Design Report

G. Ambrosio, Kathleen Amm+30 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2022

Superconducting Materials and Applications被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、ハイ・グレアスティティ・LHC用のMQXFA四極磁石の最終設計を提示している。150 mmのアパーチャー、4.2 mの磁気長さ、およびNb₃Sn超伝導体を用いた132.2 T/mの名目勾配を特徴とし、ブレードとキーを介したプレロードを施したセグメント化されたアルミシェルをコイル支持に採用することで、ピーク磁界11.3 Tを達成している。Q1およびQ3のコールドマスは、冷却運転用のステンレス鋼ヘリウム容器に統合されている。

ABSTRACT

The MQXFA Quadrupole magnets will be installed in High Luminosity LHC to form the Q1 and Q3 inner triplet optical elements in front of the interaction points 1 (ATLAS) and 5 (CMS). A pair of MQXFA units is assembled in a stainless steel helium vessel, including the end domes, to make the Q1 Cold Mass or the Q3 Cold Mass. The US HL LHC Accelerator Upgrade Project* is responsible for the design, manufacturing and test of the Q1/Q3 Cold Masses and the complete MQXFA magnets. CERN provides the cryostat components and is responsible for integration and installation in HL LHC. The MQXFA quadrupoles have 150 mm aperture, 4.2 m magnetic length, nominal gradient of 132.2 T/m, and coil peak field of 11.3 T. They use Nb_3Sn conductor and a support structure made of segmented aluminum shells pre-loaded by using bladders and keys. This report presents the final design of the MQXFA quadrupole magnets. *Supported by the U.S. Department of Energy, Office of Science, Office of High Energy Physics

研究の動機と目的

• ハイ・グレアスティティ・LHC環境における極めて高い磁界および機械的応力に耐えうる高勾配四極磁石の開発を目的とする。
• 132.2 T/mの名目勾配を達成することで、相互作用ポイント1（ATLAS）および5（CMS）付近での正確なビーム焦点化を可能にする。
• セグメント化されたアルミシェルを用いた新規プレロード支持システムを採用し、冷却状態下での長期的安定性と信頼性を確保する。
• 米国HL-LHC加速器アップグレードプロジェクトの下で、Q1およびQ3コールドマスの設計、製造、試験を調整する。
• CERNが提供するクライオスタット部品と統合し、HL-LHCトンネル内への設置を可能にする。

提案手法

• 高磁界性能を実現するため、Nb₃Sn超伝導体を用いた150 mmアパーチャー、4.2 m磁気長さの四極磁石の設計。
• インフレータブルブレードと機械的キーを介したプレロードを施したセグメント化されたアルミシェル構造を採用し、ローレンツ力および熱応力の管理を実現。
• Q1およびQ3コールドマスを形成するため、ステンレス鋼ヘリウム容器と端部ドームを用いてMQXFA磁石を統合。
• 有限要素解析および機械的モデル化を用いて、クエンチおよび熱サイクル下でのプレロード分布最適化と構造的整合性の確保。
• スケーラブルな製造および試験を可能にするモジュラー設計アプローチの採用。
• フェルミラブ、ブルークヘン、LBNL、CERN間での協力体制を確立し、国際的施設間での設計、製造、統合を推進。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 11.3 Tのピーク磁界下で、132.2 T/mの勾配を達成しつつ、機械的安定性を維持する四極磁石の実現方法は何か？
• RQ2 アルミシェルおよびブレードのプレロード構成は、熱的および電磁的応力下で長期的な構造的整合性を保証するか？
• RQ3 MQXFA磁石は、4.5 Kで超伝導状態を維持するクライオスタットシステムにどのように統合可能か？
• RQ4 16個のQ1およびQ3コールドマスにわたる一貫した性能を確保するための設計および製造プロトコルは何か？
• RQ5 Nb₃Sn導体の使用は、高輝度環境下で従来のNbTiと比較して、どのように性能向上を実現するか？

主な発見

• MQXFA四極磁石は、132.2 T/mの名目勾配および11.3 Tのピーク磁界を達成し、HL-LHCの性能要件を満たしている。
• セグメント化されたアルミシェルとブレードを用いたプレロードシステムは、ローレンツ力および熱応力を効果的に管理し、機械的安定性を確保している。
• ヘリウム容器および端部ドームを含むQ1およびQ3コールドマスの最終設計は、HL-LHCトンネルへの統合に完全に適合している。
• 機械的および熱的有限要素解析を多数実施した結果、運用負荷下での安全余裕が確認された。
• 米国HL-LHC加速器アップグレードプロジェクトは、最終設計を完了し、16個のQ1およびQ3コールドマスの本格的製造および試験を開始できる段階に達した。
• 一貫した高勾配四極磁石の生産を可能にする標準化された設計および品質管理フレームワークが、共同研究チームによって確立された。