ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE SEZIONE DI MILANO LABORATORIO ACCELERATORI E SUPERCONDUTTIVITA APPLICATA. Stato del Magnete Toroidale di Atlas

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1 ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE SEZIONE DI MILANO LABORATORIO ACCELERATORI E SUPERCONDUTTIVITA APPLICATA Stato del Magnete Toroidale di Atlas

2 sommario conclusione test B0 stato avanzamento BT richiesta di finanziamento costruzione unità di scarica (RDU)

3 conclusione del test di B0 ott 00 il magnete B0 arriva al CERN giu 01 inizio del cooldown lug ago set dic B0 a corrente nominale, 20.5 ka termine prima fase test, riscaldamento secondo cooldown; continuano i test fino a 24 ka, ossia + 20% di corrente conclusione dei test; decommissioning Giovanni Volpini, CSN 1 Frascati, 14 maggio 2002

4 principali risultati del test risultati di B0 raffreddamento controllato da 300 K a 4.5 K, con gradienti termici accettabili; corretto funzionamento dell impianto criogenico; funzionamento a diversi valori di corrente, fino a +20% rispetto al valore nominale (+40% in energia); stress meccanici all interno della struttura accettabili in tutte le fasi di raffreddamento ed energizzazione; corretta esecuzione delle operazioni di scarica lenta e veloce (quench); funzionamento affidabile dell unità di scarica e dei quench heaters; il magnete ha dimostrato di non essere particolarmente sensibile a valori di rampa di corrente molto superiori al nominale (20 A/s anziché 4 A/s); non si sono riscontrati particolari effetti dopo un ciclo temico completo. considerazioni generali l esercizio costruttivo ha dimostrato la sua essere particolarmente utile per la messa a punto della produzione di serie di tutte le componenti delle bobine del BT; B0 è nato come magnete per test, questo ha consentito di istallare una capillare strumentazione di controllo ed eseguire test particolarmente severi; entrambe queste cose sarebbero state impensabili sulle bobine del BT.

5 Atlas Toroid Magnet responsabilità LASA: 1. produzione 50% conduttore per il BT e gli ECTs 2. avvolgimento & impregnazione di tutte le 16 doppie gallette del Barrel Toroid 3. produzione & istallazione 8 schermi di radiazione proponiamo la 4. costruzione sistema di scarica del BT+ECTs, (RDU, RunDown Unit).

6 sezione di una bobina del Barrel Toroid in colore le componenti sotto responsabilità del LASA Vacuum Vessel Coil Casing Voussoir Double Pancake Thermal Shield Cryogenic Stop Tie Rod (test equipment)

7 Rutherford matrice alluminio produzione conduttore strand BARREL TOROID # INFN + ETH VAC 1 avvolto avvolto 2 avvolto avvolto 3 avvolto avvolto 4 avvolto avvolto 5 avvolto avvolto 6 avvolto avvolto 7 avvolto avvolto 8 avvolto avvolto 9 avvolto avvolto 10 avvolto avvolto 11 avvolto avvolto 12 avvolto avvolto 13 avvolto qualificato 14 avvolto qualificato 15 qualificato da riparare 16 da riparare da estrudere END CAP TOROID # INFN + ETH VAC 1 qualificato da qualificare 2 qualificato da qualificare 3 qualificato da qualificare 4 qualificato da qualificare 5 da qualificare da qualificare 6 da qualificare da qualificare 7 da qualificare da estrudere 8 da qualificare da estrudere 9 da qualificare da estrudere 10 da qualificare da estrudere 11 da qualificare da estrudere 12 da qualificare da estrudere 13 da qualificare da estrudere 14 da qualificare da estrudere 15 da qualificare da estrudere 16 da qualificare da estrudere da estrudere da riparare Giovanni Volpini, CSN 1 Frascati, 14 maggio 2002 da qualificare qualificato avvolto

8 situazione produzione doppie gallette in Ansaldo consegnate inizio termine termine operazioni avvolgimento impregnazione conduttore BTDP1 nov-99 mar-00 ott-00 VBT-01 VBT-02 BTDP2 feb-00 mag-00 feb-01 ABT-01 ABT-02 BTDP3 mag-00 ago-00 feb-01 ABT-04 ABT-03 BTDP4 giu-00 set-00 mag-01 ABT-05 ABT-06 BTDP5 dic-00 mar-01 ago-01 VBT-03 VBT-06 BTDP6 gen-01 apr-01 set-01 ABT-08 ABT-07 BTDP7 apr-01 lug-01 nov-01 VBT-08 VBT-07 BTDP8 giu-01 set-01 gen-02 ABT-10 ABT-11 BTDP9 lug-01 nov-01 feb-02 ABT-12 ABT-13 BTDP10 ott-01 gen-02 apr-02 ABT-14 ABT-15 BTDP11 dic-01 apr-02 giu-02 VBT-09 VBT-10 BTDP12 feb-02 ago-02 VBT-11 VBT-12 BTDP13 apr-02 ott-02 VBT-13 VBT-14 BTDP14 giu-02 nov-02 VBT-15 VBT-16 BTDP15 lug-02 gen-03 ABT-09 ABT-16 BTDP16 set-02 feb-03 VBT-04 VBT-17 A V INFN + ETH VacuumSchmelze

9 avvolgimento e impregnazione doppie gallette presso Ansaldo avvolgimento la doppia galletta viene rimossa dal mandrino di avvolgimento il 3 maggio le DP 5-8 hanno lasciato l Ansaldo, l arrivo al CERN è atteso il 17 maggio la doppia galletta completa

10 integrazione 1&2 integrazione 1 = le doppie gallette vengono montate nel coil casing, formando nel complesso la massa fredda; integrazione 2 = la massa fredda viene integrata con lo schermo termico, le biellette (o tie-rods) il superisolamento, infine viene tutto chiuso nella camera a vuoto, formando una delle otto bobine di BT. Ciascuna bobina viene raffreddata e collaudata singolarmente prima dell istallazione in caverna.

11 integrazione 1 : problema la gara per l integrazione 1 è stata vinta dalla BDT (Neubeckum, D) per 3.5 MCHF, davanti alla Technicatom (5.1 MCHF) e all Ansaldo (6.7 MCHF); nel corso della messa a punto del processo realizzativo, la ditta ha incontrato diversi problemi tecnici, dovuti probabilmente alla poca esperienza; nel complesso la ditta ha avanzato richieste per ulteriori 1 MCHF; ATLAS non ha aderito a tale richiesta e si è arrivati a una separazione consensuale, dove verosimilmente il CERN rinuncerà a una compensazione economica, in cambio del materiale e dell attrezzatura già realizzati dalla ditta, fra cui bladders e frames per la movimentazione; questa situazione ha avuto causato dei problemi di riflesso in Ansaldo, che ha dovuto immagazzinare temporaneamente delle bobine pronte alla spedizione. Economicamente non si è avuta alcuna ricaduta sull INFN, visto che ATLAS si è accollato l onere e la responsabilità dei trasporti residui, compensando così costi aggiuntivi Ansaldo.

12 integrazione 1: soluzione l Int. 1 è ora organizzata ora nel seguente modo: eseguita al CERN, sempre nella hall 180; dalla Technicatome (F), che curerà l engineering dell operazione, la supervisione, QA/QC; il manpower (3 persone x 2 turni) sarà fornito dal JINR. Il costo è stimato in 3.0 MCHF, meno del valore del contratto iniziale con BDT (3.5MCHF); tuttavia alcuni aspetti (e.g. materiali di consumo, parte attrezzatura) potrebbero essere sottostimati. Inizio luglio 02, il completamento è previsto in 16 mesi. PRO CONTRO -non si sono avuti costi aggiuntivi -potrebbero esserci costi nascosti, (ma esiste ancora del margine) -la ditta responsabile è tecnicamente -problemi di coordinamento, area competente (ha eseguito l Int 1 di B0) 180 ancora più affollata

13 integrazione 1&2: Bldg. 180 layout deposito DPs, CMs schermo termico Int. 1 Tie-Rods Test bobina Camera a vuoto

14 coil casing & camera a vuoto Due coil casing (Alstom Switzerland + Schelde Exotech, NL + Leipert, D ) sono stati già consegnati al CERN; altri due sono in costruzione e il loro arrivo è atteso entro l estate La prima camera a vuoto è attesa al CERN verso la fine di maggio; la seconda è stato completata presso la FCM (Oviedo, ES). Giovanni Volpini, CSN 1 Frascati, 14 maggio 2002

15 schermi di termici giugno 01 il consiglio direttivo approva la gara settembre 01 firma del contratto maggio 02 PRR settembre 02 consegna componenti del 1 schermo di radiazione;... gli schermi successivi seguiranno uno ogni 2-3 mesi novembre 03 consegna componenti dell 8 e ultimo schermo di radiazione montaggio dello schermo termico di B0 al CEA

16 apparato per test delle Tie-Rods In attesa del completamento dell apparato definitivo per BT, in costruzione al Kurchatov Institute (Mosca), il LASA ha messo a disposizione, trasferendolo al CERN, l apparato sviluppato per B0

17 costruzione end caps: camere a vuoto entrambe le camere a vuoto, prodotte dalla Schelde Exotech, Vlissingen, NL, sono state consegnate al CERN (dicembre 01 e aprile 02); attualmente è in corso l assemblaggio della seconda camera a vuoto, il collaudo è previsto a luglio.

18 costruzione end caps: avvolgimento e impregnazione la costruzione degli avvolgimenti ha subito alcune traversie: la ditta incaricata, la HMA Power Systems olandese (ex-holec), è stata acquisita, col nome di Brush HMA dalla FKI, un grosso gruppo inglese attivo nel campo della grandi macchine elettriche; il nuovo gruppo ha dichiarato il proprio disinteresse verso le applicazioni di superconduttività, impegnandosi però a completere il contratto; attualmente l inizio delle operazioni di avvolgimento delle doppie gallette è previsto in maggio 02, mentre per l impregnazione devono essere completati gli ultimi test di qualificazione; nonostante i ritardi rispetto al programma originale, non si dovrebbero avere conseguenza sulla tempistica, l istallazione in caverna è previsto nella seconda metà del 2005.

19 milestones 1: doppi pancakes n (aprile 02) 2: doppi pancakes n (settembre 02) 1 completato, 2 e 3 procedono secondo programma 3: doppi pancakes n (dicembre 02) 4: misure qualificazione fili superconduttori (luglio 02) secondo programma 5: componenti schermo di radiazione 1 (maggio 02) 6: componenti schermi di radiazione 2-3 (settembre 02) 7: componenti schermi di radiazione 4 (dicembre 02) due mesi di ritardo, senza conseguenze sulla tempistica generale del progetto 8: costruzione Run Down Unit (novembre 02) 9: partecipazione test bobine 1 e 2 (dicembre 02) non finanziato lo scorso settembre; tempistica non critica la tempistica questi test dipende direttamente dal CERN

20 ATLAS MAGNETS RUN DOWN UNIT G. Baccaglioni G.C. Cartegni

21 BT+ECT Power Circuit about 100 m µ Rtot= Rtot= RUN DOWN UNIT µ 5.14H 1.1 H µ 1.1 H BT Barrel Toroid ECT/1 ECT/2 G. Baccaglioni GC Cartegni aprile 2002 µ

22 BT+ECT slow discharge behaviour ATLAS BT+ECT Rundown Unit 5 Current [A] I ECT [A] I BT [A] ECT di/dt [A/s] BT di/dt [A/s] 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 Current Deacy [A/s] G. Baccaglioni GC Cartegni aprile ,5 0 0 Time [1h/div]

23 BT+ECT Resistors Characteristics 20 parallel branches 1 branch: made w/ stainless steel tube 304L electrowelded, OD mm, Thick 4 mm total resistance (BT+ECT sections) 15.6 mw stainless steel weight 260 kg water 184 kg Total RDU resistor weight, incl. water 8880 kg Support structure weight 1800 kg Max external envelope 5835 (L) x 102 (H) x 655 (W) mm G. Baccaglioni G.C. Cartegni aprile 2002

24 BT+ECT Diode Stack Characteristics 20 parallel branches, both BT and ECT sections 1 branch: BT : 3+4 diodes ABB 5SD0120C020 ECT : 3 diodes ABB 5SD0120C020 Each group is spring loaded at about 37 kn The power dissipated by diodes is delivered to bulk aluminium heat sinks (40 kg per diode) Diodes branches will be assembled in group of 8 or 12 to fit with the cavern ceiling Diodes + heat sinks + supporting structure weigth 9500 kg G. Baccaglioni G.C. Cartegni aprile 2002

25 Diodes choice ABB - 5SD0120C020 EUPEC - 65DN02 WESTCODE- W6584NZ02 Repetitive peak reverse voltage 200 V 200 V 200 V Maximum non repetitive peak reverse voltage 300 V 250 V 300 V Nominal RMS forward current A (* Tj=85 C) A A (* Tj=25 C) Average forward current (Half sine wave) A (* Tj=85 C) 8470 A (* Tj=98 C) 6584 A (*Tj=55 C) Maximum forward voltage 0.92 V (8 ka-tj 170 C) 0.98 V (10 ka-tj 180 C) 0.87 V (5 ka-tj 25 C) Threshold voltage 0.75 V 0.7 V 0.74 V Slope resistance 0.02 mohm mohm mohm Reverse current (max. at rated Vrr)) 50 ma 100 ma 50 ma Thermal resistance Junction-case (Two side cool).006 K/W.004 K/W 0.01 K/W Thermal resistance case-heatsink (Two side cool).003 K/W.0025 K/W K/W G. Baccaglioni G.C. Cartegni aprile 2002

26 BT+ECT resistor branch BT+ ECT Run Down Unit - Resistor module N 20 pieces Mat. Stainless Steel tube 304 L; Ext. diam mm, Thickness 4mm NOTES : TWO LAYERS 1) The total electrical resistance value is 16,7 mohm; stailess steel weight about 260 kg and filling water 184 kg. 2) TIG welding on the tube corners cutted at 45 and the end taps for electrical connections with total thickness penetration 3) The cooling tubes are in stainless steel 304L 12mm ext diam., 1 mm thickness. 4) The resistor tubes lenght take in to account the current path for such reason theyr lenght is increased of 4 mm on each lag Infact the computed value for RECT 5451mm (equiv. at 160x20 ohm) becomes 5455mm and the BT internal lag computed for 5281 mm, becomes 5285mm DETAIL OF TUBE END and electrical connetions G. Baccaglioni G.C. Cartegni aprile 2002

27 Resistor Branch and Diode Stack under test at LASA G. Baccaglioni G.C. Cartegni aprile 2002

28 resistor thermal test results BT+ECT RDU - PROTOTYPE RESISTOR Temperature [C ] RP17h200- T est of dec , Resistor horizontally positioned, water filled, Io=1360 CH005 T room C CH007 T current lead + C CH008 T bottom central tube C CH009 T top central tube C CH010 T internal bend C CH001 Current 1V=1000A CH003 Resistor Voltage V V 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Current [KA] Voltage [V] G. Baccaglioni G.C. Cartegni aprile ,0 Time: 3600 s/div

29 3 Diodes stack G. Baccaglioni G.C. Cartegni aprile 2002 Giovanni Volpini, CSN 1 Frascati, 14 maggio 2002

30 3 Diode Stack under test at LASA G. Baccaglioni G.C. Cartegni aprile 2002

31 Underground Cavern Layout G. Baccaglioni G.C. Cartegni aprile 2002 Giovanni Volpini, CSN 1 Frascati, 14 maggio 2002

32 diodes test results at Lasa temperature[c ] DP2d- 3 Diodes stringtest, December Imax 1266 A no cooling water CH006 PT100 Troom (C) CH007 Tdiode1 (C) CH008 Tdiode2 CH009 Tdiode3 (C) (C) CH010 Tbottom sinkd1-d2 (C) CH011 Ttop sink D1-D2 (C) CH012 Ttop sink D2-D3 CH013 Ttop sink D3 (C) (C) 3 2,5 2 1,5 1 Current[KA] Voltage [V] G. Baccaglioni G.C. Cartegni aprile 2002 CH001 Current 1V=1kA (V) 20 CH002 Vtotal (V) CH003 V D1 CH004 V D2 (V) (V) 0,5 CH005 V D3 (V) 0 0 Time: 3600 s/div

33 Central Solenoid Power Circuit LASA PROPOSAL APRIL 15th, ka/ 8V RUN DOWN UNIT RS tot=0,19 mohm µ Ground Fault Protection Barrel Solenoid 1,33 H G. Baccaglioni G.C. Cartegni aprile 2002 µ

34 Central Solenoid discharge behaviour ATLAS SOLENOID slow discharge behaviour Current [A] Current [A] Current decay [A/s] Current decay [A/s] G. Baccaglioni G.C. Cartegni aprile Time: 10 min/div 1.5

35 Central Solenoid resistor characteristics 10 parallel branches 1 branch: made w/ stainless steel tube 304L electrowelded, OD mm, 4 mm thick total resistance 0.19 mw stainless steel weight 31.4 kg water 22.3 kg total resistor weight, incl. water 537 kg support structure weight 120 kg Max external envelope 1500(L) x 1500(H) x 1000(W) mm G. Baccaglioni G.C. Cartegni aprile 2002

36 Central Solenoid Diode Stack Characteristics 10 parallel branches, 1 branch: 4 diodes ABB 5SD0120C020 Each group is spring loaded at about 37 kn The power dissipated by diodes is delivered to bulk aluminium heat sinks (40 kg per diode) Diodes + heat sinks + supporting structure weigth 1900 kg G. Baccaglioni G.C. Cartegni aprile 2002

37 Run Down Unit BT+ ECT : Previsione Costi Diode unit 144 k Resistor unit 77 k 2 Power Breakers 53 k TOTALE 274 k La proposta LASA, fatta propria dalla specifica ATLAS, permette di risparmiare almeno 60 kchf rispetto alla soluzione del TDR. Queste previsioni sono basate su offerte delle ditte che hanno sviluppato i prototipi. L IVA non è dovuta in quanto la consegna finale è al CERN.

38 Run Down Unit SOLENOIDE: Previsione Costi Diode Unit 26 k Resistor unit 12 k Power Breaker 21 k TOTALE 59 k 86 kchf 1 = CHF (3 maggio 2002) ATLAS si impegna a coprire l importo eccedente i 60 kchf

39 Richiesta di finanziamento Run Down Unit BT+ECT 274 k Run Down Unit Solenoid 42 k ( 60 CHF) contingenza 5% 16 k TOTALE 332 k ( 483 kchf) I primi 50 k sono stati già finanziati sj sul bilancio 2002, costruzione apparati Questa fornitura in kind è riconosciuta da ATLAS per 400 kchf, pari alla cifra ancora dovuta da ATLAS Italia per i common funds.