importanza della superconduttività e della criogenia per l

Importanza della superconduttività e della criogenia per l´acceleratore di particelle LHC del CERN di Ginevra

Pier Paolo Granieri

Karlsruhe Institute of Technlology (KIT)

[email protected]

Centre Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN)

[email protected]

Conclusione del programma

MESSAGGERI DELLA CONOSCENZA

finanziato dal MIUR

(P.A.C. per le Regioni della Convergenza)

26 Settembre 2014

Università Mediterranea di Reggio Calabria

mailto:[email protected]



Programma MIUR Messaggeri della Conoscenza 2 16.09.2014

Corso “Magneti superconduttivi e

Criogenia”, a.a. 2013/2014

Scopo del corso:

fisica e tecnologie dei magneti superconduttivi + principi dell’ingegneria criogenica

con riferimento al Large Hadron Collider (LHC) del CERN

introduzione al mondo della ricerca (mini-conferenza finale)

Pier Paolo Granieri

Stages presso istituzioni d'eccellenza: CERN e Politecnico di Losanna (EPFL)

Il workshop odierno conclude quest'esperienza di successo

per condividerne i risultati con i membri del mondo scientifico, imprenditoriale ed

istituzionale

per permettere agli stagisti di diffondere l’esperienza fatta ed adempiere quindi al loro

ruolo di “messaggeri della conoscenza”


Ma anche …

esperienze con azoto liquido (77 K)

Pier Paolo Granieri


Dall’infinitamente grande

all’infinitamente piccolo

Atom Proton

Big Bang

Radius of Earth

Radius of Galaxies

Earth to Sun

Universe

Hubble ALMA

VLT AMS

LHC

Guardiamo nella materia fin nelle sue

dimensioni piú piccole

Gli acceleratori sono dei potentissimi

microscopi: atto-scopio (esploriamo un

miliardesimo di nanometro)


… ma anche indietro nel tempo

L

H

C


Il CERN cerca di ripondere alle domande

fondamentali della Scienza

CERN

Ricerca e Innovazione

Perche’ viviamo in un universo di

materia e non di anti-materia? I quarks sono formati

da altre particelle piu’ elementari?

Da quante dimensioni e’ formato il nostro

universo? In che stato si

trovava la materia subito dopo il Big

Bang?

Di che cosa e’ formata la

materia oscura (96% universo) e

da cosa e’ composta

l’energia oscura?

Qual’è l’origine della massa?

Il bosone

di Higgs

✔

Missioni del CERN: ricerca, tecnologia, collaborazione, educazione


Come funziona un acceleratore

L’energia cinematica delle particelle (elettroni, protoni, ioni) è trasformata in

massa ed energie cinetica di nuove particelle

Si creano particelle che sono esistite nella prima frazione di secondo dopo il

Big Bang

3) Le particelle che fuoriescono vengono riprese dai Rivelatori

1) Si concentra energia in particelle cariche (acceleratori)

2) Le particelle collidono (ricreando condizioni esistenti subito dopo il Big Bang)


Come funziona un acceleratore


Principio di un sincrotrone

Campi elettro-magnetici accelerano le particelle

Campi magnetici curvano le particelle in un’ orbita “circolare” Guidando le particelle varie volte nella stessa struttura acceleratrice

Particelle accelerate la loro energia aumenta il campo magnetico deve aumentare (“sincro”) per mantenere le particelle sulla stessa orbita di curvatura r

BveF

EeF

EeF

BveF

ArcArc

ArcArc

LSS

LSS

LSS

LSS


Il Large Hadron Collider

27 km di circonferenza ~100 m sottoterra 4 esperimenti giganti


Cavità RF: per accelerare

Alcuni componenti che fanno del LHC la macchina scientifica più grande e complessa che

esista:

Il Large Hadron Collider

Magneti principali

Dipoli per curvatura

Quadrupoli per focalizzare

Sono entrambi componenti superconduttivi


I 4 esperimenti

ATLAS CMS

ALICE LHCb


Perché la superconduttività?

I magneti di LHC riempono circa 24 dei 27 km di

tunnel. Grazie alla superconduttivita’ non

c’e’dissipazione elettrica.

Ma i grandi refrigeratori consumano: 40 MW

Se si fosse costruito LHC con tecnologie tradizionali

(elettromagneti), l’anello avrebbe dovuto essere

lungo circa 100 km e avrebbe comportato una

dissipazione elettrica di oltre 1000 MW !


Scoperta della superconductività

… thus the mercury at 4.2 K has entered a new state, which, owing to its particular electrical properties, can be called the state of superconductivity…

H. Kamerlingh-Onnes (1911)


Superconduttori a bassa

e ad ‟alta” temperatura

Luca Bottura, “Applied superconductivity for accelerator magnets”, 2011 Summer students lecture.


Effetto Meissner

Resistività nulla is non è l’unica caratteristica di un superconduttore

Il comportamento magnetico di un superconduttore è diverso da

quello previsto dall’elettrodinamica classica

Legge di Ohm in forma locale: E = ρJ . Se ρ = 0 e J è finita E = 0

Dalla legge di Faraday, B dev’essere costante nel tempo nel materiale

T > Tc

T < Tc

T > Tc

T < Tc

Espulsione del campo magnetico da un SC: effetto Meissner


Superficie critica

Temperatura critica

Corrente critica

Campo magnetico critico

20

1510

15

10

20

510

3

5

104

105

106

107

temperature(K)

current density(A/cm )

2

Nb Sn3

Nb-Ti

magnetic field(T)

critical J-H-Tsurface

Se si oltrepassa la superficie

critica quench


Criogenia

Pier Paolo Granieri

Tb

h h

300 K

Tsystem

Qt

Qp


Refrigerazione


Elio superfluido

Elevata conducibilitá termica

(1000 volte meglio di un buon rame)

Viscositá quasi nulla

Pier Paolo Granieri


Conclusioni

Il corso ‟Magneti Superconduttori e Criogenia” del programma Messaggeri della conoscenza

Il CERN

L´acceleratore di particelle Large Hadron Collider

la superconduttività

i magneti superconduttori

la criogenia

Introduzione agli stages

Ringraziamenti

Pier Paolo Granieri


Introduzione agli stages (1/2)

Cryolab (CERN) Clean room (EPFL)


Introduzione agli stages (2/2)

Salvatore Avellino,"Rilevazione di quench in cavitá a radio-frequenza

tramite OST (Oscillating Superleak Transducers)”

Antonio Malara, "Misurazioni di proprietá termiche a temperature

criogeniche"

Andrea Campione, "Fabbricazione di dispositivi micro-fluidici per

esperienze con elio superfluido"


Ringraziamenti

Pier Paolo Granieri


Referenze

Pier Paolo Granieri

importanza della superconduttività e della criogenia per l

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