Il programma. di superconduttività applicata dell INFN TECNOLOGIE

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1 Il programma TECNOLOGIE di superconduttività applicata dell INFN Gianpaolo Bellini Dipartimento di Fisica dell Università e Sezione INFN di Milano 1 P. FINOCCHIARO e E. MIGNECO, I Laboratori Nazionali del Sud, n. 6, pg A. PASCOLINI, DESY, da laboratorio civico a grande centro mondiale, n. 10, pg L. ROSSI, I magneti superconduttori per LHC, n. 6, p. 28. Fig. 1 Il Ciclotrone Superconduttore in costruzione al laboratorio LASA della Sezione INFN di Milano In un breve excursus rivediamo il programma di superconduttività applicata realizzato dall INFN in collaborazione con l industria italiana. Si tratta di un programma ventennale che ha contribuito alla crescita del know how tecnologico all interno dell Istituto, al suo trasferimento all industria italiana, e quindi allo sviluppo tecnologico industriale in Italia nel campo delle cavità risonanti superconduttrici, dei cavi superconduttori, e della costruzione di grandi magneti per macchine acceleratrici e per esperimenti. Il Ciclotrone Superconduttore e i dipoli di HERA Una delle prime realizzazioni dell INFN, in collaborazione con l industria italiana, è stato il Ciclotrone Superconduttore. Si tratta di uno dei primi ciclotroni superconduttori al mondo, e raggiunge energie di 20 MeV/nucleone per ioni pesanti e 100 MeV/nucleone per ioni leggeri. La realizzazione ebbe inizio a Milano nel 1981; il test del magnete ebbe luogo nel 1988 (Fig. 1). Il cavo superconduttore è stato realizzato dall industria LMI di Firenze, mentre gli avvolgimenti del magnete furono affidati all Ansaldo, il criostato dall industria Zanon di Schio. A quei tempi un ciclotrone simile era stato realizzato solamente all Università del Michigan (USA); alla sua costruzione aveva partecipato Francesco Resmini, che sarà il responsabile del Ciclotrone Superconduttore dell INFN fino alla sua morte, sostituito poi da Emilio Acerbi. Il Ciclotrone Superconduttore dopo la sua realizzazione e i relativi test a Milano fu installato presso i Laboratori Nazionali del Sud (Catania) come post-acceleratore della macchina Tandem del laboratorio 1. Nel frattempo l INFN, mediante un accordo con il laboratorio DESY di Amburgo 2, assunse la responsabilità della realizzazione di metà dei magneti superconduttori (242 dipoli) dell anello a protoni di HERA. La progettazione e la costruzione dei dipoli avvenne fra il 1985 e il 1989 sotto la responsabilità di Resmini e, dopo la sua morte, di Sergio Tazzari dei Laboratori Nazionali di Frascati. Si trattava di dipoli con caratteristiche di avanguardia: raggiungevano 5 Tesla di campo magnetico, con una lunghezza di 9 metri. Il cavo superconduttore era di tipo Rutherford 3, con filamenti da 20 micron, funzionanti alla temperatura di 4,4 Kelvin. Le realizzazioni industriali furono affidate a Europa Metalli (già LMI), Ansaldo e Zanon. L operazione ebbe un completo successo scientifico e tecnologico. Negli anni , venne realizzato anche il solenoide sottile dell esperimento ZEUS 4, lungo 3,5 metri con ed un diametro di 2 metri e un campo da 1,8 Tesla. Il magnete, il primo del genere con doppio avvolgimento e con grading di corrente (per evitare l utilizzo di bobine correttive), ha uno spessore corrispondente a una lunghezza di radiazione. La responsabilità del progetto e della prima parte della costruzione fu di Acerbi e Lucio Rossi, del laboratorio LASA dell INFN di Milano. I prototipi di dipoli per LHC Lo sviluppo di questi programmi di superconduttività indusse l INFN a dotarsi di facility per la misura e i test dei cavi superconduttori. Nacque quindi, fra il 1988 e il 1998, al LASA la serie di magneti SoleMi 3 e a Genova vennero installati, fra il 1987 e il 1990, i magneti Marisa 5. Nel 1988 fu stipulato un accordo fra il CERN e l INFN per lo sviluppo in scala reale di prototipi dei dipoli per il Large Hadron Collider e delle cavità superconduttrici per LEP Responsabile nazionale del programma fu nominato Gianpaolo Bellini, Acerbi e Rossi responsabili dei dipoli, mentre Tazzari e Carlo Pagani delle cavità superconduttrici. Lo sviluppo tecnologico per i dipoli fu notevole trattandosi di magneti completamente nuovi, da 10 Tesla di tipo twin (due magneti in un unica struttura meccanica) con un diametro interno delle bobine di 50 mm e la distanza fra le bobine di 180 mm. La lunghezza dei dipoli era di 10 metri. Le forze in gioco erano quattro volte maggiori rispetto a quelle dei dipoli di HERA e si esplicavano in una regione quattro volte più piccola. Di conseguenza i problemi meccanici che dovettero venir affrontati erano notevoli, con precisioni migliori di 30 micron (quando nel caso di HERA la precisione meccanica era intorno al decimo di mm). Anche per il cavo superconduttore (Fig. 2), di tipo Rutherford, i miglioramenti tecnici sono stati notevoli. Il 20

2 cavo interno consisteva di 26 trefoli (fili), filamenti per trefolo, portante una corrente massima di A; il cavo esterno consisteva di 40 trefoli con filamenti per trefolo. I filamenti, di niobio-titanio, avevano un diametro inferiore a 10 micron, due volte più sottili di quelli di HERA. Lo sviluppo e la realizzazione del cavo avvenne in collaborazione con Europa Metalli, mentre i test vennero eseguiti al LASA e in parte anche alla Sezione INFN di Genova. Le bobine vennero costruite dall Ansaldo e i criostati dalla Zanon. Il primo dipolo fu consegnato al CERN nel gennaio del 1994, mentre il secondo nel maggio dello stesso anno (Fig. 3). Questi due dipoli rappresentarono per quattro anni gli unici due prototipi: in particolare il primo magnete fu provato con ottimo successo, ottenendo 8,65 Tesla con il primo quench, e superando ampiamente 9 Tesla al terzo quench, rimanendo il miglior magnete LHC fino al La costruzione di questi prototipi è stata estremamente importante per la revisione del progetto finale dei dipoli permettendo lo sviluppo e il test di varie soluzioni tecniche. L approvazione finale del progetto LHC è stata sicuramente favorita dalla buona riuscita di questi prototipi. Alla fine del 1994 fu stipulato fra il CERN e l INFN un nuovo accordo per la costruzione di un prototipo del modello finale dei dipoli superconduttori di LHC. Si trattava di un magnete lungo 15 m con un raggio di curvatura uguale a quello dell acceleratore, avente 9 mm di sagitta. Alcune caratteristiche sono state ridefinite in modo meno stringente rispetto ai prototipi da 10 m: 56 mm di raggio interno per le bobine, 194 mm di distanza fra le due bobine, 8,3 Tesla di campo centrale a 1,9 Kelvin. L impegno finanziario fu assicurato per il 60% dall INFN e per il 40% dal CERN. Il magnete fu completato nel 1998 e i test furono positivi ottenendo 8,1 Tesla al primo quench e 8,8 Tesla con i quench successivi. Questo prototipo da 15 metri è stato la base dei dipoli finali, attualmente in via di costruzione, dando un notevole contributo alla comprensione dei molti problemi tecnici. Fino al 2000, esso fu l unico completo funzionante (Fig. 4). Va anche sottolineato che la costruzione fu completata direttamente in Italia, mentre i successivi prototipi ebbero un contributo diretto del CERN che ne curò l assemblaggio finale. Tutto questo programma è stato certamente di grande aiuto alle industrie coinvolte, creando presso di esse il know-how necessario per concorrere alla costruzione di LHC 7. Attualmente all industria italiana è stato assegnato un quinto della produzione del cavo superconduttore, e un terzo della preserie dei dipoli. Cavità superconduttrici per LEP200 L accordo CERN-INFN del 1988 includeva anche la costruzione dei prototipi delle cavità risonanti per LEP200. Si trattava di cavità da 353 MHz includenti 4 celle di rame con sputtering di niobio. Un lavoro iniziale fu svolto per trasferire conoscenze tecniche sia all Europa Metalli sia all Ansaldo. Varie monocelle furono costruite in niobio e in rame. Presso l Europa Metalli venne sviluppato anche un metodo di idroformatura mentre all Ansaldo furono costruite due cavità, di niobio massiccio, di 500 MHz a 5 MVolt/m e fattore di merito Q = Alla fine la gara per i sei prototipi di cavità per LEP fu vinta da Ansaldo: i prototipi ebbero successo raggiungendo un Q di 3x10 9 a 6 MVolt/m. La gara aperta dal CERN nel 1990 per la costruzione di 160 cavità fu vinta per 1/3 dall Ansaldo che realizzò le cavità in collaborazione con l Europa Metalli. Le cavità prodotte dall in- Fig. 2 Cavo superconduttore prodotto dall Europa Metalli di Firenze per i magneti superconduttori di HERA 4 G. BRUNI e S. LIMENTANI, Come è fatto il protone: la fisica di HERA, n. 10, pg R. PARODI e F. BRESSANI, Ansaldo Superconduttori, n. 7, pg E. PICASSO, Il Large Electron Positron collider, n. 5, pg F. MENZINGER, L industria italiana e LHC, n. 5, pg. 15. Fig. 3 Il primo prototipo di dipolo da 10m per il collisore LHC del CERN presentato nell aprile 1995 da Luciano Maiani, allora Presidente dell INFN, all allora Presidente della Repubblica Oscar Luigi Scalfaro (foto CERN) 21

3 Fig. 4 Il primo prototipo di dipolo da 15 m per il collisore LHC 8 TESLA è l acronimo del progetto di un collisore lineare di elettroni e positroni di altissima energia, Tev- Energy Superconducting Linear Accelerator. 9 M. GIORGI e C. VOCI, BaBar scopre la violazione di CP nei decadimenti dei quark b, n. 8, pg KEK è il laboratorio High Energy Accelerator Research Organization a Tsukuba in Giappone. 11 Si tratta del laboratorio americano Thomas Jefferson National Accelerator Facility, a Newport News, Virginia. dustria italiana lavorarono senza problemi fino alla chiusura del LEP. Programma di R&D per nuove tecniche per realizzare cavità superconduttrici Questo programma si svolse fra il 1992 e il 1997 sulla base di una collaborazione fra il CERN, la Sezione di Genova, i Laboratori di Legnaro, la Sezione di Napoli/ Salerno e l Istituto dei Materiali ITM del CNR di Lecco; i responsabili dei vari gruppi furono, rispettivamente, C. Benvenuti, R. Parodi, V. Palmieri, R. Vaglio, E. Olzi. Il programma era centrato sullo sviluppo di nuovi materiali e di metodi innovativi, anche in connessione con il Tesla Test Facility 8 (TTF) di DESY. Il programma portò a contributi importanti su una decina di problemi tecnici diversi; per citare le acquisizioni tecniche più importanti: produzione di cavità da 1,3 GHz tramite tornitura da lastre su mandrino scomponibile (Fig. 5). Questa tecnica, sviluppata essenzialmente ai Laboratori di Legnaro, dopo un periodo iniziale di test fatti in alluminio, portò alla costruzione di cavità di niobio massiccio e di rame con sputtering di niobio. Le proprietà di queste cavità sono: campo accelerante di 40 MVolt/m, Q nel range di Queste cavità furono provate con successo al TTF di DESY, al KEK 10 e al TJNAF 11. Va notato che l eliminazione delle saldature a fascio di elettroni riduce i costi di un fattore dieci, eliminando nel contempo cause di difetti superficiali nelle zone di massimo campo magnetico o elettrico; sputtering di niobio su cavità a celle singole da 1,5 GHz. La tecnica usata è stata sia il confinamento del plasma mediante bobina inserita internamente al catodo (CERN), sia il confinamento elettrostatico sul catodo e confinamento magnetico mediante bobine esterne alla cavità (Legnaro); coating di NbN, (Nb-Ti)N per nitrurazione mediante diffusione termica reattiva in fornace UHV. Sono state realizzate cavità monocella a 3 GHz, che mostrano a 4,2 K un Q di 5x10 9, migliore di un fattore 100 rispetto al niobio (Genova); raggiungimento di valori di campo oltre i 20 MV/m in cavità acceleratrici a singola cella a 4,5 GHz senza correnti rilevabili di elettroni emessi per effetto di campo (Genova); realizzazione di film sottili di NbN, (Nb-Ti)N, V 3 Si con vari metodi innovativi (Napoli/Salerno) e ricristallizzazione di film di niobio su rame mediante ricottura laser con conseguente aumento della dimensione dei grani fino a 10 micron. Programma ministeriale per lo sviluppo tecnologico presso l industria italiana (detto del 5%) Questo programma si svolse dal 1998 al 2000, anche se l INFN ebbe ad anticiparlo effettivamente nella metà del Due importanti capitoli di questo programma furono: lo sviluppo del cavo superconduttore per il magnete 22

4 Barrel Toroid dell esperimento ATLAS al LHC; la realizzazione del modello B0, il prototipo del magnete Barrel Toroid allo scopo di studiare i problemi tecnici e trovarne le soluzioni. Coordinatore del progetto fu Bellini, mentre i responsabili furono Rossi ed Acerbi, con la collaborazione di Franco Alessandria e Giovanni Volpini, tutti del LASA. Il programma ha avuto pieno successo ed è stato realizzato in tempo, perfino con un certo anticipo. Cavo superconduttore Si tratta di un cavo speciale, costruito da una treccia piatta di fili di rame, contenenti filamenti sottili di Nb-Ti. La treccia viene rivestita con alluminio purissimo per formare un superconduttore ultrastabilizzato. Questo cavo composito è in grado di portare circa A a 5 Tesla di campo magnetico. Il rivestimento di alluminio stabilizza il cavo anche in caso di raffreddamento indiretto. Quest ultima tecnologia permette di costruire enormi magneti, come quelli di ATLAS e CMS, senza raggiungere costi proibitivi. Vorrei sottolineare che prima di ora, per gli esperimenti al LEP, i cavi più potenti per raffreddamento indiretto arrivavano a A: senza lo sviluppo e il know-how generati in questo programma, la costruzione dei rivelatori per LHC sarebbe stata più difficile e comunque rallentata. Il cavo è stato realizzato in collaborazione fra INFN (LASA) ed Europa Metalli (Fornaci di Barga, Lucca) (Fig. 6). In base ad un accordo fra INFN e ETH (Zurigo), la co-estrusione si è svolta presso Exans (Courtaillod - Svizzera). Le misure e la validazione del cavo superconduttore furono eseguite al LASA come pure i test meccanici; i controlli ultrasonici furono effettuati all ETH. Le difficoltà maggiori che si sono dovute superare nella fase di sviluppo hanno riguardato: la tecnologia di assiematura (cordatura) dei fili superconduttori per raggiungere le elevatissime correnti (l INFN ha collaborato al miglioramento e alla messa a punto della cordatrice dell Europa Metalli); il rivestimento in alluminio, ottenuto attraverso un processo di co-estrusione in pressa continua di oltre 3000 tonnellate di spinta, mantenendo la purezza dell alluminio a 20 parti per milione; il controllo di qualità su tutti i parametri: la lunghezza delle pezzature erano tali da rendere disastrosa anche una sola perdita durante la co-estrusione. Il modello B0 Il modello B0 è un magnete superconduttore di tipo race track, di 9 metri di lunghezza e 5 metri di larghezza (Fig. 7). La necessità di costruire questo prototipo nasce dalle dimensioni inusuali (25 metri di lunghezza) e dalla particolare configurazione del Barrel Toroid di ATLAS, al fine di mettere a punto le procedure ed i controlli da effettuare sui componenti e sulle operazioni di montaggio. È da notare che B0 è di per sé uno dei più grandi magneti superconduttori di questo genere esisten- 23

5 Fig. 5 Formatura a freddo senza saldature del prototipo di una cavità risonante multicella eseguita nelle officine dei Laboratori Nazionali di Legnaro Fig. 6 Sezione del filo superconduttore per il magnete B0, prodotto dalla Europa Metalli. La sezione mostra i 600 filamenti di Nb-Ti immersi in rame; diametro del filo 1,3 mm Fig. 7 Arrivo del magnete B0 al CERN (foto CERN) ti al mondo. Questo progetto è stato realizzato dall INFN (LASA), Ansaldo Energia, Zanon con la partecipazione di DAPNIA (Saclay) nella fase di assemblaggio e collaudo. Un attenzione particolare è stata data allo studio dei circuiti di protezione delle bobine e alle specifiche dello schermo termico e delle sospensioni. La costruzione della bobina (costituita da due doppie gallette) è stata preceduta dallo sviluppo delle attrezzature necessarie, progettate in modo da permettere il loro impiego anche nella costruzione delle bobine del Barrel Toroid. La procedura di saldatura per le giunzioni resistive fra i cavi superconduttori, il compattamento tra le spire nei tratti rettilinei dell avvolgimento, la movimentazione dell avvolgimento prima dell impregnazione evitando scorrimenti tra le spire e deformazioni delle gallette, la camera a vuoto, il trattamento termico per la polimerizzazione delle resine, sono stati fra i maggiori problemi affrontati e risolti. Le due doppie gallette sono state completate nel dicembre 1999; i componenti del criostato sono stati consegnati dalla Zanon nell aprile Il montaggio e il collaudo dei vari componenti è avvenuto a Saclay con il contributo di personale del LASA e della Zanon nell estate del In tale periodo si sono completati anche i sistemi di diagnostica per il raffreddamento sino alla temperatura dell elio liquido (4,8 K) e per l eccitazione del magnete. Il criostato è stato trasportato al CERN alla fine di settembre Le prove di raffreddamento e di eccitazione (fino ad una corrente di A) sono state eseguite al CERN nella prima metà del 2001 con pieno successo. B0 è stato utilizzato per test e studi utili per la comprensione del Barrel Toroid, fino all aprile del Attualmente questi studi sono terminati. Vorrei sottolineare che durante questo programma 5% il trasferimento di know-how a Europa Metalli, Ansaldo e Zanon, è stato importante, mettendo queste imprese nella condizione di concorrere alle gare internazionali, in particolare quelle relative alla costruzione dei dipoli del LHC e dei magneti di esperimento. Barrel Toroid di ATLAS L INFN ha assunto la responsabilità anche della costruzione delle bobine del Barrel Toroid, finanziate con i common funds della collaborazione ATLAS. Si tratta di 8 bobine, corrispondenti a 16 doppie gallette: esse sono in fase avanzata di costruzione all Ansaldo (Fig. 8), mentre lo schermo radiativo è costruito dalla Zanon. Le bobine utilizzano 32 pezzature di cavo da 1730 m ciascuna. La metà di tutto il cavo è responsabilità dello stesso gruppo che ha sviluppato e costruito il cavo di B0 (INFN-ETH, con Europa Metalli-Exans). I responsabili del programma sono Acerbi, Rossi e Volpini. Principali caratteristiche del magnete Barrel Toroid di ATLAS: lunghezza assiale: 25,3 m; diametro esterno: 20,1 m, corrente di operazione: A; temperatura di esercizio: 4,8 K; campo massimo: 3,85 Tesla; lunghezza di cavo superconduttore impiegato: 60 km. Magnete di CMS Un altra impresa, nella quale è coinvolto l INFN, è il magnete dell esperimento CMS, sempre al LHC. Il magnete, che una volta costruito avrà il record dell energia immagazzinata (2,6 GJoule), produce un campo magnetico di 4 Tesla in un volume cilindrico di diametro 6,5 m e lunghezza 12,5 m. Sulla base di un accordo stipulato nel 1997 all interno della collaborazione CMS, l INFN ha assunto la responsabilità della costruzione delle 5 bobine che compongono il solenoide. La fase di sviluppo del progetto e della realizzazione delle attrezzature di avvolgimento e impregnazione in vuoto presso l Ansaldo è avvenuta fra il 1997 e il Per la prima volta ci si trovava 24

6 davanti al problema di avvolgere un conduttore rinforzato, e quindi con una grossa inerzia meccanica, associato alla richiesta di una grande precisione di avvolgimento. Questa fase di R&D, che è stata sostenuta finanziariamente dall INFN, si è conclusa con la costruzione di un modello, avente lo stesso diametro del solenoide ma lunghezza ridotta (250 mm). Questa attività ha permesso lo sviluppo delle attrezzature di avvolgimento attualmente utilizzate per la costruzione delle bobine. Il cavo ha caratteristiche parzialmente simili a quello di ATLAS (treccia superconduttrice immersa in una matrice di alluminio puro). Poiché tuttavia il conduttore ha anche una funzione meccanica (deve cioè sopportare le enormi forze magnetiche in gioco) è stato necessario integrare il cavo con un rinforzo in lega di alluminio saldato a fascio di elettroni con un processo continuo sui 2500 m di ogni singola pezzatura. Il conduttore (20 pezzature da 2500 m ciascuna) viene prodotto da un pool di ditte coordinate dal CERN e dall ETH di Zurigo. L INFN è coinvolto direttamente nei test finali, eseguiti a Genova con i magneti Marisa. La costruzione delle bobine è finanziata con i common funds della collaborazione CMS. Il responsabile di questo progetto è Pasquale Fabbricatore. Magnete di BABAR Il magnete dell esperimento BABAR 9 è un solenoide superconduttore con un campo magnetico di 1,5 Tesla in un volume di diametro 3 m e lunghezza 4 m (Fig. 9). Il progetto del solenoide è stato condotto in ambito INFN nel I maggiori problemi nella progettazione del solenoide sono stati legati alla richiesta di buona uniformità di campo (± 3%) nella regione del rivelatore di tracce dell esperimento, richiesta soddisfatta con una soluzione tecnica basata su una gradazione della densità di corrente del solenoide. Successivamente l INFN si è fatto carico della costruzione del solenoide, finanziata per intero sui common funds della collaborazione BABAR, del follow-up industriale, dello sviluppo del conduttore (simile ad ATLAS ma di dimensioni molto più contenute) costruito dall Europa Metalli in parziale collaborazione con la ditta svizzera Exans, dei controlli di qualità del conduttore, delle prove elettriche del solenoide e, infine, del commissioning del solenoide conclusosi nel marzo Da questa data ad oggi il solenoide ha funzionato senza problemi, contribuendo al successo di tutto l esperimento. Il responsabile di questo progetto è stato Fabbricatore. Conclusioni Alla fine di questo Programma più che ventennale, che è stato reso possibile per l impulso dato ad esso dai Presidenti dell INFN, da Antonino Zichichi e Nicola Cabibbo a Luciano Maiani ed Enzo Iarocci, si può trarre un bilancio. Questo Programma ha fatto crescere all interno dell INFN il know-how necessario per lo sviluppo e la costruzione delle cavità risonanti, del cavo e dei magneti superconduttori. Ma ancor di più ha reso possibile il trasferimento di know-how all industria italiana, la quale ha assunto un ruolo di primo piano, per quanto riguarda questo tipo di tecnologie, in ambito mondiale. Il riferimento a prodotti dell industria italiana e alle capacità dell industria stessa nel campo della superconduttività applicata è ora una costante comune nelle discussioni e nelle attività che vengono svolte in questo campo nei laboratori mondiali. Credo che si possa tranquillamente affermare che questo Programma è stato un ottimo esempio di come un ente di ricerca fondamentale, come l INFN, può favorire lo sviluppo nell industria italiana di nuove tecnologie, in piena sintonia con i propri scopi istituzionali. Indirizzo www Fig. 8 Camera di impregnazione per le bobine del Barrel Toroid dell esperimento ATLAS nello stabilimento Ansaldo (foto Ansaldo) Fig. 9 Il solenoide dell esperimento BaBar finito e pronto per la spedizione (foto Ansaldo) 25