大型强子对撞机升级项目的布线工作已完成一半

美国能源部(DOE)劳伦斯-伯克利国家实验室(Berkeley Lab)在制造关键的超导电缆的多年过程中已经过了一半，这是升级欧洲核子研究中心大型强子对撞机(LHC)项目的一部分。目前正在进行的这一升级，将大大提高该设施的碰撞率和科学生产力。

高亮度LHC加速器升级项目，或HL-LHC AUP，是美国对LHC设施升级的一个多机构贡献。这个项目的总部设在美国能源部的费米国家加速器实验室(Fermilab)。

一组更强大的聚焦磁铁，被称为 "内三重"，计划安装在大型强子对撞机的相互作用点的两侧，独立的质子束在那里碰撞。通过在相互作用点将质子束挤压到更高的密度，这些更强大的聚焦磁铁将在机器的生命周期内增加至少10倍的碰撞次数。这将大大增加发现新物理学的机会。

HL-LHC AUP聚焦磁铁的线圈由铜基中的先进铌锡(Nb3Sn)超导体制成。伯克利实验室的关键贡献之一是制造所有用于磁体的电缆。这项任务在2021年1月达到了一半的目标。

费米实验室的AUP项目经理乔治-阿波利纳里在谈到这一里程碑时说："这是一个伟大的'转折点'成就，因为它使项目能够继续不受阻碍地生产这些关键的HL-LHC AUP磁体。"

伯克利实验室项目负责人和伯克利磁体技术中心(BCMT)主任Soren Prestemon补充说："这个半程标志对我们的布线团队来说是一个巨大的里程碑，他们为项目提供了特别的服务，考虑到COVID限制下现场工作的复杂性，这就更加了不起。"

在能源部的项目管理过程中，整个AUP最近获得了关键决定3(CD-3)的批准，为磁体本身的系列化生产打下了基础。电缆制造已经在一种管理方法下开始，在磁体的系列生产之前，诸如电线采购和电缆制造等周期长的项目已经获得批准。

"伯克利实验室加速器技术和应用物理部(ATAP)主任Cameron Geddes说："AUP项目利用了伯克利实验室在先进Nb3Sn磁铁技术方面的广泛专业知识和能力。ATAP和工程部成立了BCMT，以便在先进的磁体设计方面联合起来。Geddes补充说："这个关键的里程碑显示了实验室对该项目的承诺以及该团队实现其挑战性要求的独特能力。"

从导体到电缆到磁铁

大多数人都见过或甚至制造过由单个电线线圈制成的电磁铁，这是学校科学展和消费产品中熟悉的项目。然而，有很多原因说明这些东西在加速器磁体中不能很好地工作。相反，加速器使用由多股超导线材组成的电缆。这些电缆是平的，具有矩形或非常轻微的梯形 "键合 "截面，这种外形被称为 "卢瑟福式"，是根据英国卢瑟福-阿普尔顿实验室的设计开发的。

郑丹正在进行磁铁组装。资料来源：Marilyn Sargent/伯克利实验室

卢瑟福电缆在其宽面上弯曲时是灵活的，这使得线圈的缠绕很容易。然而，电缆薄边的股线严重变形，其热电稳定性可能会下降，因此必须仔细监测和控制塑形。

整个AUP团队得到了美国能源部科学办公室的支持，由六个美国实验室和两所大学组成。费米实验室、布鲁克海文国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室、SLAC国家加速器实验室和托马斯杰斐逊国家加速器设施(都是DOE国家实验室)，以及国家高磁场实验室、老多明尼克大学和佛罗里达州立大学。在设计、建造和测试这些先进磁体及其组件的挑战中，每个人都带来了独特的优势。工业合作伙伴提供超导线材。

伯克利实验室将电缆运到费米实验室或布鲁克海文，制成线圈并进行反应(热处理)以激活其超导性。反应后的线圈被送回伯克利实验室，该实验室用它们来制造四极磁铁。这篇最近的文章深入介绍了多个机构如何利用其互补的优势为AUP制造磁铁。

"这些磁体是超过15年的技术发展的结晶，从LARP(大型强子对撞机加速器研究计划)合作开始，"伯克利实验室工程部的Dan Cheng说。

鹰眼看质量，大有合作心

今年庆祝成立90周年的伯克利实验室在设计和建造加速器方面有着悠久的国内和国际合作历史，其超导磁体专业技术可以追溯到20世纪70年代初。

伯克利实验室的行星运动布线机是在20世纪80年代初设计和安装的，多年来一直得到不断的升级。它为能源部的大量项目做出了贡献，如费米实验室的泰瓦特龙升级，然后是超导超级对撞机的早期开发。今天，该布线设施是伯克利实验室超导磁体活动的关键基础设施。

布线设施还拥有一套世界级的质量保证系统来监测电缆的性能。其中包括一台在线电缆测量机，可以在设定的压力下测量电缆的尺寸参数;一个在线摄像系统，可以记录制造的电缆所有四面的每一毫米，并进行图像分析;以及一个专门设计的低温冷却系统，用于重复测量关键参数。

组装和使用这些设备的人都在伯克利实验室的ATAP和工程部门。ATAP的职员科学家和伯克利实验室HL-LHC AUP的布线经理Ian Pong说："我们不仅有世界一流的设备来制造最先进的超导电缆，而且最重要的是，有一个世界一流的团队，他们对质量有一双鹰眼，对项目有一颗合作的诚心。"

Apollinari说："由Ian领导的伯克利实验室小组在Nb3Sn电缆的高质量生产中表现突出，不仅满足了苛刻的质量保证和控制要求，而且实现了大大超过此类活动预期产量的生产。这显然对AUP项目有很大帮助，无论是从经济角度还是从进度角度。