De experimentele magneet is als krachtige 'hoge-veld' dipool-magneet op basis van het supergeleidende niobium-tin ontworpen om toegepast te worden op die plekken in de versneller waar de stralingsbelasting extreem hoog is. 'De piek-veldsterkte van 11,5 tesla is een wereldrecord voor dit type magneten', zegt projectleider dr.ir. H. ten Kate (TN). Met deze 'doorbraak' op het gebied van supergeleidende hoge-veld magneten heeft de UT volgens hem een 'unieke positie' veiliggesteld. Hij hoopt nu op geld voor een vervolgproject.
De magneet is een voorbeeld van het toegepast supergeleidingsonderzoek van de leerstoel Lage Temperaturen (TN). Supergeleiding - het fenomeen dat materiaal elektrische stroom beneden een bepaalde temperatuur bijna weerstandsloos geleidt - is interessant voor sterkstroom-toepassingen (zoals elektromagneten) omdat oververhitting en energieverlies worden voorkomen. Klassieke supergeleiders (niobiumverbindingen) zijn supergeleidend bij temperaturen net boven 0 Kelvin, keramische hoge-Tc supergeleiders bij veel hogere temperaturen.
De één meter lange proefmagneet verhuist begin april naar Genève om vier weken getest te worden. 'CERN is zeer nieuwsgierig. Als de magneet de proeven goed doorstaat, zal men hem mogelijk bij de LHC toepassen. In dat geval heeft de UT een voorsprong in know-how', weet prof.dr. C. Daum (Theorie van de Vastestoffysica, TN), die vanuit het Nederlands Instituut voor Kernfysica en Hoge-Energie Fysica (NIKHEF) werkzaam is bij CERN. De magneet is de uitkomst van jarenlange samenwerking tussen UT en NIKHEF, die voor NIKHEF van grote waarde is. 'We hebben voor het bouwen van versnellers ingenieurs nodig.'
De Large Hadron Collider (LHC) moet de prestigieuze opvolger worden van de Super Proton Synchrotron (SPS) uit de jaren zeventig en de in 1989 gereedgekomen Large Electron Positron (LEP). De LHC gaat een slordige 3,5 miljard gulden kosten, te betalen uit het lopend CERN-budget waaraan Nederland per jaar circa 60 miljoen bijdraagt. Ook de VS, Canada en Japan participeren, omdat de bouw van de Amerikaanse Superconducting Supercollider inmiddels geschrapt is. De LHC zal volgens de plannen voor 2008 in twee fasen worden voltooid.
De LHC is bedoeld voor proton-proton botsingen. Hij zal op economische wijze gebouwd worden door 1800 supergeleidende niobium-titaan magneten in de bestaande 27 km lange LEP-tunnel te plaatsen. De 14 meter lange, tot 1,8 Kelvin gekoelde, magneten zullen een veldsterkte hebben van 8,6 tesla (100 duizend keer sterker dan het aardmagnetisch veld). Met zulke krachtige magneten kunnen protonen beter dan nu mogelijk is worden versneld.
De 1800 magneten jagen met hun elektromagnetische veld twee tegen-elkaar-in-draaiende protonenbundels in de opslagring tot bijna-lichtsnelheid op. Op vaste punten in de tunnelbuis mogen de protonenbundels op elkaar botsen. Hun gecombineerde bewegingsenergie (14-16 biljoen elektronvolt) produceert dan een intense micro-vuurbal die honderden nieuwe deeltjes uitschiet. Deze worden direct via vier immense detectoren geregistreerd en geanalyseerd.
Met deze nieuwe stap in de deeltjeswedloop is de voortgang bij CERN weer even gegarandeerd, bevestigt Daum. De machine zal nieuw licht kunnen werpen op de bouwstenen van de materie en het ontstaan van het heelal. De fysici hopen met de LHC het in het 'standaardmodel' voorspelde Higgs-boson te vinden, dat zou verklaren waarom deeltjes massa hebben. Onderzoek naar het quark-gluon plasma moet uitwijzen of quarks bij extreem hoge temperaturen in gas (bijna) vrij kunnen voorkomen. En bestudering van B-quarks moet tenslotte een antwoord gevenop de vraag waarom in de kosmos meer materie dan antimaterie is.
De ontwikkeling van de magneten is de grootste technische uitdaging van de LHC. Die valt in twee trajecten uiteen. Allereerst de ontwikkeling en produktie van de niobium-titaan magneten voor de standaardsecties van de opslagring. Die zijn in handen van bedrijven uit diverse CERN-landen. In dat verband maakt ook Holec een prototype, zowel een één-meter-versie als een full-size exemplaar. Dat tien meter lange gevaarte wordt in april opgeleverd. 'Holec lijkt daarmee ook in de running voor levering van de magneten', zegt Daum.
De niobium-titaan magneten hebben spoelen van uit tienduizenden filamenten (of vezels) opgebouwde kabel. Het winden van die spoelen vereist grote zorg om te voorkomen dat frictie optreedt als de veldsterkte wisselt. Dan treedt druk van honderden tonnen per meter op en kunnen 'hete plekjes' ontstaan die de supergeleiding teniet doen. Ook externe hittebronnen kunnen de supergeleiding trouwens aantasten. Dat maakt niobium-titaan magneten minder geschikt voor plekken in de versneller waar veel losse deeltjes rondzwerven.
Vandaar een tweede traject waarin (onder meer door de UT) gewerkt wordt aan magneten van niobium-tin, een supergeleider die ongevoeliger is voor temperatuurverschillen door wisselende veldsterkte en dus geschikter voor de botssecties van de LHC, waar protonenbundels zover mogelijk worden samengedrukt en stray beam particles optreden. 'Die niobium-tin magneten zijn echter moeilijk en duur om te maken. Voor de industrie is zulk onderzoek te riskant. Voor wetenschappers zijn het de krenten in de pap', zegt Ten Kate. 'Wanneer onze niobium-tin magneet een succes is, lijkt de kans groot dat CERN een tiental van dergelijk dipool en quadrupool magneten zal toepassen in de speciale secties van de versneller waar de stralingsbelasting extreem is.'
Het samenwerkingsproject voor de ontwikkeling van de proefmagneet werd in 1988 opgezet door UT, FOM/STW en NIKHEF. December 1995 is alles klaar. Ten Kate: 'We hoeven alleen nog te monteren, te testen en te publiceren. Daarna kijken hoe we dit project kunnen vervolgen'. Het complete project beliep circa 1,8 miljoen materiaalkosten, waarvan 300 duizend gulden voor 130 meter niobium-tin kabel ('het ziet eruit als grove elektriciteitskabel, maar dan wel van 3000 gulden per kilo', aldus Ten Kate), en 20 manjaren personeel.
Direct verantwoordelijk voor de constructie van de magneet waren postdoc ir. Andries den Ouden en technicus ing. Sander Wessel (FOM/STW), bijgestaan door de CTD/I. Daarnaast was er flankerend promotie-onderzoek. Dr. B. ten Haken promoveerde onlangs op het rekgedrag en de vervormingsgevoeligheid van niobium-tin, dr. D. ter Avest op ontwerp en elektrodynamica van de magneet. Ir. A. Verweij - die vooral bij CERN bivakkeert - hoopt dit jaar te promoveren op het gedrag van de complete supergeleider binnen & buiten de magneet.
CERN betaalde het niobium-tin dat door ECN via het poederprocédé werd geproduceerd, vertelt Ten Kate. Hier blijkt nog een interessante wending in het spel te zijn. 'Toen ECN stopte, is alle apparatuur overgenomen door de Stichting Geavanceerde Metaalkunde. Toen de SGM kort daarop failliet ging heeft oud-TOP-per ir. Lindenhovius de kennis van het procédé overgenomen en met zijn bedrijf SMI de produktie overgenomen.' aldus Ten Kate. Holec leverde verder het wikkelmechanisme en de pers voor het maken van de magneetspoel.
De magneet is een technisch hoogstandje. Zowel het materiaalgebruik als de gebruikte constructie zijn essentieel voor de performance, zegt Ten Kate. Hoeveel stroom door de kabel kan en welke energieverliezen optreden, hangt af van de geometrie van de kabel en de mechanische spanning (rek) van het materiaal bij lage temperaturen. Alles moet tot op mikrometers nauwkeurig zijn om het supergeleidend effect niet verloren te laten gaan. 'Magneetontwikkeling is vanouds trial and error. Bij ons stond het ontwerpproces voorop.'
De problemem beginnen al met het heel secuur opbouwen van de kabel uit massa's dunne draden (filamenten) van niobium-tin. Probleem is dat niobium-tin een kristallijne structuur heeft, legt Ten Kate uit. 'Dat maakt het bros en rekgevoelig, een ellende bij het maken van kabels en spoelen. Niobium-titaan is in vergelijking een veel makkelijker legering.' Om de techniek onder de knie te krijgen werd veel gemeten en speciale testapparatuur ontwikkeld.
De kabel wordt in flexibele vorm op een spoel gewikkeld en vervolgens in eenoven bij een temperatuur van 700 graden Celsius supergeleidend gemaakt. De kabel wordt dan gefixeerd. 'Daarna moet je er bij het afwerken zeer voorzichtig mee zijn.' Omdat de magneet in zijn geheel in de oven gaat, moeten alle materialen die erin zijn verwerkt natuurlijk hittebestendig zijn.
Hoge Tc-supergeleidende magneten (die goedkoop gekoeld kunnen worden met vloeibaar stikstof) zijn nog ver weg. 'In de toekomst krijg je misschien hoge Tc-supergeleidende magneten van 20, 25 tesla', zegt Ten Kate. 'Het is natuurlijk duur om magneten met vloeibaar helium tot 4 Kelvin te koelen. Maar aan de andere kant is koeling bij een miljardenproject als de LHC bijzaak. Het gaat bij hoge magneetvelden primair om de performance, niet om de kosten.'
Magneetmakers (van links naar rechts): dr.ir. H. ten Kate (TN), ir. Andries den Ouden en ing. Sander Wessel (FOM/STW).
Prof.dr. C. Daum (TN/NIKHEF)
