Hybrid Cu-HTS Coating for CERN’s Future Circular Collider Beam Screen

Abstract

El Future Circular Collider (FCC) és el col·lisionador de partícules de pròxima generació proposat per l'Organització Europea per a la Recerca Nuclear (CERN) com a successor de l'accelerador més potent del món actual, el Large Hadron Colider (LHC). L'estudi de viabilitat del FCC compta amb més de 150 entitats a tot el món per avaluar la possibilitat d'aquesta nova màquina, amb l'objectiu d'energies de col·lisió de 100 TeV, més de set vegades les que s'arriba a l'LHC actualment. Els investigadors esperen que les dades generades en aquestes col·lisions aportin una mica de llum sobre misteris de l'univers com l'asimetria matèria-antimatèria, la matèria fosca i l'energia fosca i el problema de la jerarquia.

En els col·lisionadors circulars d'alta energia com la FCC, una sèrie d'imants superconductors potents s'encarrega de mantenir el feix de partícules en una òrbita estable. Per protegir aquests imants de la radiació de sincrotró emesa pel feix, s'interposa una estructura d'acer inoxidable entre el feix i els imants per absorbir la radiació, l'anomenada beam screen. Tanmateix, per garantir que l'òrbita del feix no es vegi alterada, ha de presentar una baixa impedància superficial sense afectar el camp magnètic circumdant per sobre dels nivells acceptables. Per aquest motiu, a l'LHC, la beam screen d'acer inoxidable està recoberta amb una capa de coure. D'altra banda, les temperatures de funcionament més altes de la beam screen del FCC, entre 40 i 60 K, poden donar lloc a una resistència superficial excessiva procedent del recobriment de coure.

Per mitigar-ho, el grup Superconducting Materials and Large Scales Nanostructures (SUMAN) de l'Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB - CSIC) estudia des de l'any 2017, en col·laboració amb el CERN, la viabilitat de l'adopció de Superconductors d'alta temperatura (HTS) Terres Rares-Ba2Cu3O7-x. (REBCO) com a recobriment alternatiu per a la beam screen de FCC. Més específicament, es proposa un recobriment híbrid REBCO-Cu com a mitjà per disminuir la resistència total de la superfície de la beam screen alhora que es preserva una alta qualitat del camp magnètic dins de la cambra de buit del FCC.

En aquesta tesi, investiguem el comportament de la beam screen amb revestiment híbrid sota les condicions operatives de la FCC. L'anàlisi numèrica del mètode dels elements finits (FEM) s'utilitza per avaluar la seva resposta electromagnètica i termomecànica als camps magnètics de fins a 16 T dels imants de flexió i enfocament, així com el camp magnètic de CA generat pel propi feix. També es considera l'escenari extrem d'extinció d'un imant dipol i les seves repercussions a la pantalla del feix. S'han desenvolupat tècniques de recobriment basades en conductors revestits (CC) de REBCO i s'han produït mostres a escala de laboratori del recobriment híbrid, així com un primer prototip per a la beam screen recobert.

El Future Circular Collider (FCC) és el col·lisionador de partícules de pròxima generació proposat per l'Organització Europea per a la Recerca Nuclear (CERN) com a successor de l'accelerador més potent del món actual, el Large Hadron Colider (LHC). L'estudi de viabilitat del FCC compta amb més de 150 entitats a tot el món per avaluar la possibilitat d'aquesta nova màquina, amb l'objectiu d'energies de col·lisió de 100 TeV, més de set vegades les que s'arriba a l'LHC actualment. Els investigadors esperen que les dades generades en aquestes col·lisions aportin una mica de llum sobre misteris de l'univers com l'asimetria matèria-antimatèria, la matèria fosca i l'energia fosca i el problema de la jerarquia.

En els col·lisionadors circulars d'alta energia com la FCC, una sèrie d'imants superconductors potents s'encarrega de mantenir el feix de partícules en una òrbita estable. Per protegir aquests imants de la radiació de sincrotró emesa pel feix, s'interposa una estructura d'acer inoxidable entre el feix i els imants per absorbir la radiació, l'anomenada pantalla del feix. Tanmateix, per garantir que l'òrbita del feix no es vegi alterada, ha de presentar una baixa impedància superficial sense afectar el camp magnètic circumdant per sobre dels nivells acceptables. Per aquest motiu, a l'LHC, la pantalla del feix d'acer inoxidable està recoberta amb una capa de coure. D'altra banda, les temperatures de funcionament més altes de la pantalla del feix del FCC, entre 40 i 60 K, poden donar lloc a una resistència superficial excessiva procedent del recobriment de coure.

Per mitigar-ho, el grup Superconducting Materials and Large Scales Nanostructures (SUMAN) de l'Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB - CSIC) estudia des de l'any 2017, en col·laboració amb el CERN, la viabilitat de l'adopció de Superconductors d'alta temperatura (HTS) Terres Rares-Ba2Cu3O7-x. (REBCO) com a recobriment alternatiu per a la pantalla del feix de FCC. Més específicament, es proposa un recobriment híbrid REBCO-Cu com a mitjà per disminuir la resistència total de la superfície de la pantalla del feix alhora que es preserva una alta qualitat del camp magnètic dins de la cambra de buit del FCC.

En aquesta tesi, investiguem el comportament de la pantalla del feix amb revestiment híbrid sota les condicions operatives de la FCC. L'anàlisi numèrica del mètode dels elements finits (FEM) s'utilitza per avaluar la seva resposta electromagnètica i termomecànica als camps magnètics de fins a 16 T dels imants de flexió i enfocament, així com el camp magnètic de CA generat pel propi feix. També es considera l'escenari extrem d'extinció d'un imant dipol i les seves repercussions a la pantalla del feix. S'han desenvolupat tècniques de recobriment basades en conductors revestits (CC) de REBCO i s'han produït mostres a escala de laboratori del recobriment híbrid, així com un primer prototip per a la pantalla del feix recobert.

The Future Circular Collider (FCC) is the next generation particle collider proposed by the European Organization for Nuclear Research (CERN) as the successor of the current world's most powerful accelerator, the Large Hadron Colider (LHC). The FCC Feasibility Study counts with more than 150 entities worldwide to evaluate the suitability of this new machine, aiming for collision energies of 100 TeV, more than seven times those currently reachable at the LHC. Researchers hope that the data generated in such collisions sheds some light onto mysteries of the universe such as the matter-antimatter asymmetry, dark matter and dark energy, and the hyerarchy problem.

In high-energy circular colliders such as the FCC, a series of powerful superconducting magnets is responsible for maintaining the particle beam in a stable orbit. To protect these magnets from the synchrotron radiation emitted by the beam, a stainless steel structure is interposed between the beam and the magnets to absorb the radiation, the so-called beam screen. However, to ensure that the beam orbit is not disturbed, it must present a low surface impedance without affecting the surrounding magnetic field above acceptable levels. For this reason, in the LHC, the stainless steel beam screen is coated with a copper layer. On the other hand, the higher operation temperatures of the FCC beam screen, between 40 and 60 K, might result in an exceeding surface resistance coming from the copper coating.

To mitigate this, the Superconducting Materials and Large Scales Nanostructures (SUMAN) group at the Institute of Materials Science of Barcelona (ICMAB - CSIC) has been studying since 2017, in a collaboration with CERN, the viability of adopting Rare Earth-Ba2Cu3O7-x (REBCO) High Temperature Superconductors (HTS) as an alternative coating for the FCC beam screen. More specifically, a hybrid REBCO-Cu coating is proposed as a means to decrease the overall surface resistance of the beam screen while preserving high magnetic field quality inside the vacuum chamber of the FCC.

In this thesis, we investigate the behavior of the hybrid-coated beam screen under the operating conditions of the FCC. Finite Elements Method (FEM) numerical analysis is employed to evaluate its electromagnetic and thermomechanical response to the magnetic fields of up to 16 T of the bending and focusing magnets as well as the AC magnetic field generated by the beam itself. The extreme scenario of a dipole magnet quench and its repercussions in the beam screen is also considered. Coating techniques based on REBCO Coated Conductors (CC) have been developed and laboratory scale samples of the hybrid coating have been produced, as well as an early prototype for the coated beam screen.