APLICACÕES DOS SUPERCONDUTORES NO ACELERADOR LHC E EXPERIMENTOS

ASSOCIADOS.

Rafael Linhares Marinho

MONOGRAFIA SUBMETIDA AO PROF. RUBENS DE ANDRADE JR. COMO PARTE DOS

REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DA DISCIPLINA

SUPERCONDUTIVIDADE E SUAS APLICACÕES.

Aprovada por:

_________________________________________________

Prof. Rubens de Andrade Jr.

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL

SETEMBRO DE 2010.

DEDICATÓRIA

Dedico esta obra às minhas “filhas”, a quem tenho muito apreço, e aproveito para

dizer o motivo deste apreço: que são pequenos seres que, apesar de serem muito

simples e inocentes, revelam a grandiosidade de algo que está além do nosso

entendimento. Carbono 14 (in memorian), Protactínia, Urânia (in memorian), Neptúnia

e Plutônia (in memorian).

AGRADECIMENTOS

Gostaria de agradecer a todos que contribuiram com a execução deste trabalho,

quer seja trazendo informações, quer seja dando incentivo, quer seja me orientando. Este

trabalho representa para mim um marco inicial em uma nova, e longa caminhada, em

busca de uma realização superior. Será uma jornada onde espero ao fim recuperar parte

de mim, que se perdeu e ficou estagnada devido aos anos longe de uma instituição de

pesquisa e desenvolvimento científico: o Rafael pesquisador. Em especial, gostaria de

agradecer à minha namorada, Maria de Fátima Barbosa da Silva.

ÍNDICE

Capítulo 1 – Introdução 5

1.1) Introdução 5

1.2) Física de Altas Energias 5

1.3) O CERN (Organização Europeia para Pesquisa Nuclear) 6

Capítulo 2 – Teoria de Supercondutores 10

2.1) Introdução 10

2.2) Supercondutividade 10

2.3) Efeito Meissner 10

2.4) Campo Crítico e Corrente Crítica x Temperatura 10

2.5) Classificação de Supercondutores 11

2.6) O Fenômeno Quenching 12

Capítulo 3 - Supercondutores no LHC e AD 13

3.1) O Sistema de Eletromagnetos do LHC 13

3.2) Os Cabos Supercondutores de Transmissão de Energia do LHC 14

3.3) Os Dipolos e Outros Eletromagnetos Multipolos Supercondutores do LHC 17

3.4) As Cavidades de Ressonância SRF do LHC 21

3.5) Sistema de Proteção contra Quenching 22

Capítulo 4 - Supercondutores nos Detectores ATLAS e CMS 25

4.1) A Detecção de Partículas 25

4.2) Os Eletromagnetos no ATLAS 25

4.3) O Eletromagneto do CMS 26

Capítulo 5 – Conclusões 27

Referências Bibliográficas 28

Capítulo I INTRODUÇÃO

1.1) Introdução:

O objetivo do presente trabalho é fazer um levantamento dos tipos de

supercondutores e das maneiras que os mesmos são empregados na pesquisa científica

de física de partículas, bem como comentar os aspectos técnicos/teóricos de utilização.

1.2) Física de Altas Energias: Na pesquisa científica, o homem busca um modelo único da constituição da

matéria, um modelo que explique problemas ainda sem solução da física. Na tentativa de

provar o Modelo Padrão (que correntemente é aceito, apesar de falhar em explicar os

mecanismos que regem as interações fundamentais, como por exemplo, a gravitação), ou

na tentativa de refutar tal modelo, a humanidade já realizou, e ainda realizará inúmeras

experiências, envolvendo colisões de partículas e/ou íons pesados, cujas velocidades são

muito próximas à da luz. Tais colisões são chamados eventos da física de altas energias.

Com a finalidade de produzir uma quantidade de eventos de alta energia tal que

possa ser estudada, em condições adequadas, é necessário construir complexos

equipamentos destinados a esta única finalidade. Existem vários tipos diferentes desses

equipamentos, chamados aceleradores de partículas, que servem justamente para fazer o

que o nome sugere: conceder energia cinética e momento às partículas.

Para produzir partículas com velocidades necessárias para as pesquisas atuais

(em 2010), o tipo de acelerador usado é o síncrotron Mais especificamente, existe um

outro tipo de equipamento que é mais do que um acelerador de partículas. Este

equipamento, chamado colisionador[1], na verdade produz dois conjuntos de partículas

com velocidades próximas à da luz, mas com direções opostas, e as coloca em rota de

colisão. O maior colisionador já construído pelo homem e já em operação (apesar de não

estar em 100% da capacidade projetada) é o Large Hadron Collider (LHC), ou Grande

Colisionador de partículas Hadrônicas (partículas compostas somente por quarks).

O LHC foi construído com a finalidade de realizar experiências que vão ajudar os

cientistas a esclarecer questões em aberto na física de partículas. Alguns dos objetivos

iniciais da construção do LHC já foram atingidos antes mesmo do término da sua

construção (por exemplo, o top-quark já foi descoberto, em 1995) mas outros ainda não

6

(por exemplo, o bóson de Higgs, que, se for provada a existência, confirmará a teoria do

mecanismo de Higgs, caso contrário, invalidará tal teoria).

1.3) O CERN (Organização Europeia para Pesquisa Nuclear): O LHC teve sua construção iniciada no ano 2000, em um túnel subterrâneo

circular[1] de 27 km de extensão, localizado na fronteira entre a Suíça e a França e teve

seu término em 2008. Anteriormente à sua construção, no mesmo túnel operou um outro

colisionador, o LEP (Large Eléctron-Pósitron Collider). Ambos colisionadores fazem parte

de um complexo maior de aceleradores (lineares e circulares) e detectores chamado

CERN, ou Organização Europeia para Pesquisa Nuclear.

Apesar de o LHC ter entrado em operação em 10 de setembro de 2008, com seu

primeiro feixe de prótons sendo acelerado, devido a um problema com alguns dos

inúmeros dispositivos supercondutores empregados, houve um acidente, tendo sido o

CERN obrigado a desligar o LHC sem realizar nenhuma colisão e efetuar uma fase de

manutenção e reparos que atrasou em muitos meses o início da geração de eventos. O

LHC foi religado em 20 de novembro de 2009 e começou a circular dois feixes de prótons

com 3.5 TeV cada, em sentidos contrários. Em 30 de março de 2010, os cientistas

conseguiram focalizar e alinhar os feixes e provocar a primeira colisão frontal, iniciando a

fase de geração de eventos e experiências do LHC. Está previsto para esta primeira fase

de testes, onde a energia total de colisão é de 7 TeV, que o LHC opere por um período de

24 meses quando uma quantidade enorme de dados será processada. Após este período,

o LHC será desligado por um ano e entrará em fase de manutenção, principalmente com

a finalidade de reforçar os eletromagnetos supercondutores, em vista da fase final.

Finalmente, terminada a manutenção/upgrade dos eletromagnetos, o LHC retornará a

operação, desta vez com a energia total projetada para a colisão de dois feixes de prótons

de 14 TeV, e posteriormente íons pesados (íons chumbo) com 574 TeV cada.

Obviamente, um único acelerador circular não pode sozinho fazer o trabalho, de

modo que o CERN na verdade emprega vários aceleradores lineares e circulares para

conseguir seus objetivos. Todos estes aceleradores fazem parte do complexo do CERN[1]:

O LINAC 2, acelerador linear, fornece prótons com energia de 50 MeV, e os

gera a partir de íons hidrogênio.

O LINAC 3, acelerador linear, fornece íons chumbo com energia de 4.2 MeV/u

e os produz a partir de vapor de chumbo ultra puro. A carga positiva dos íons

chumbo é inicialmente baixa, e depois é gradualmente aumentada até a

7

ionização total (Pb+82).

O PSB (Próton Síncrotron Booster), acelerador circular, recebe prótons do

LINAC 2 e aumenta a energia cinética antes de passá-los ao próximo estágio.

O LEIR (Low Energy Ion Ring), circular, recebe os íons chumbo do LINAC 3 e

aumenta a energia cinética antes de passá-los ao próximo estágio.

O PS (Próton Síncrotron), circular, recebe ou prótons do PSB ou íons do LEIR

e acelera até 28 GeV, antes de passá-los ao próximo estágio.

O SPS (Super Próton Síncrotron), circular, recebe do estágio anterior, e acelera

até 450 GeV, e finalmente passa as partículas aceleradas ao LHC.

Há ainda outras inúmeras máquinas no CERN, dentre as quais vale a pena aqui

citar o AD (Antipróton Desaccelerator) [1].

Os experimentos que o CERN está realizando no LHC são vários:

O ATLAS (A Toroidal LHC AparatuS): com a finalidade de observar o bóson de

Higgs (o bóson de Higgs é a única partícula prevista pelo modelo padrão da

física de partículas que ainda não foi observada[1]) e com isso melhor esclarecer

as iterações entre as massas. Também investigará relação de assimetria CP

(assimetria entre matéria e antimatéria, ou violação CP).

O ALICE (A Large Ion Collider Experiment): cuja finalidade é criar através da

colisão massiva entre dois íons chumbo, um estado onde quarks e gluôns não

estão mais confinados dentro de partículas, e sim em um estado chamado

quark-gluôn plasma. Este estado é possivelmente o mesmo que a matéria do

universo se encontrava logo após (trilionésimos de segundo) o big-bang.

O CMS (Compact Múon Solenoid): com mais ou menos os mesmos objetivos do

experimento ATLAS, mas com outro mecanismo de funcionamento. Procura

pelo bóson de Higgs, por evidências da super simetria e de dimensões extras. A

finalidade do CMS é corroborar com os resultados do ATLAS.

O LHCb (LHC beauty quark): cujo objetivo é medir parâmetros da violação CP

(de simetria) nas interações entre b-hádrons, ou seja, partículas que têm em

sua composição um bottom-quark.

O LHCf (LHC forward quark): Com o objetivo de medir o número e a energia de

píons neutros produzidos pelo LHC. Há esperanças de este experimento ajudar

a esclarecer a origem doa raios cósmicos de ultra alta energia.

8

O MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC): irá procurar por

partículas massivas estáveis ou pseudo-estáveis, como monopolos magnéticos.

O TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement): Um

experimento que tem o objetivo de medir a seção reta total dos prótons,

espalhamento elástico e processos difrativos.

Ainda no CERN, mas não mais no LHC, um experimento que vale citar é o

ALPHA[1] (Antihydrogen Laser Physics Aparatus), onde o objetivo é produzir e desacelerar

antiátomos de antihidrogênio, para que a antimatéria possa ser melhor estudada. Uma

visão geral de como os aceleradores, colisionadores, anéis de armazenagem e detectores

dos experimentos estão dispostos no CERN pode ser vista na figura 1.

Figura 1 – Conexão entre os diversos componentes do CERN. O círculo menor é o

PSB e as fontes de p e Pb são o LINAC 2 e LINAC 3 respectivamente.

Dentre todos os equipamentos que o CERN utiliza, os que utilizam

supercondutores de alguma forma são:

O único acelerador que utiliza (muitos) supercondutores para manter o feixe de

partículas em sua trajetória circular, colimá-lo é o próprio LHC. Os outros

aceleradores todos utilizam eletromagnetos convencionais. O LHC também é o

único que utiliza cabos de transmissão de energia supercondutores, apesar de

utilizar cabos convencionais também[2].

As partículas são aceleradas no LHC e sua energia cinética é restaurada

(devido à perda pela emissão de radiação do síncrotron) por meio de cavidades

de ressonância SRF (Superconducting Radio-Frequency) [3].

9

Os pontos de injeção de partículas no LHC são controlados por dipolos gerados

por eletromagnetos supercondutores[2].

O detector do experimento ATLAS, ou simplesmente detector ATLAS, que utiliza

um eletromagneto supercondutor solenoide e oito toroides, para detecção de

partículas[4].

O detector CMS, que utiliza também uma grande bobina[5] cilíndrica

supercondutora[6].

O experimento ALPHA emprega como armadilha para antimatéria (antiátomos

neutros) um eletromagneto octupolo supercondutor, sendo projetado com

previsão do fenômeno de quenching (o mesmo que causou o acidente no LHC

em 2008) em seu uso normal no experimento[7].

Nos próximos capítulos, serão estudados mais detalhes teóricos e técnicos do

emprego de supercondutores no LHC, no ATLAS, CMS, e no experimento ALPHA, bem

como da teoria de supercondutores relevante para o entendimento. Será dada uma maior

ênfase entretanto, aos eletromagnetos do LHC e ALPHA.

Capítulo II TEORIA DE SUPERCONDUTORES

2.1) Introdução:

Este capítulo é destinado a prover um embasamento teórico para o melhor

entendimento dos próximos capítulos. Apresenta de forma bastante simplificada (por não

ser o objetivo deste trabalho se estender em demasiado), os aspectos teóricos mais

relevantes dos supercondutores empregados no LHC e AD.

2.2) Supercondutividade: Supercondutividade foi descoberta em 1911, quando H. Karmelingh Onnes

investigava a condutividade do mercúrio e percebeu que ao resfriar com hélio líquido, a

amostra apresentava uma condutividade muito baixa, a ponto de ser incomensurável.

Este fenômeno totalmente inesperado foi chamado de supercondutividade e a

temperatura onde ocorreu a transição do mercúrio para o estado supercondutor foi

chamada temperatura crítica, ou Tc. Essencialmente, a resistividade do mercúrio caiu a

zero.

2.3) Efeito Meissner: O estado supercondutor não é somente um estado onde o material se torna um

condutor perfeito. Experiências posteriores levaram W. Meissner e R. Ochsenfeld a

descobrir em 1933 que um elemento supercondutor expele totalmente campos

magnéticos fracos de seu interior, enquanto que campos intensos fazem o material

retornar ao estado não supercondutor mesmo abaixo da temperatura de transição. Tal

efeito de expulsão de campo é chamado efeito Meissner.

2.4) Campo Crítico e Corrente Crítica x Temperatura: A rigor o estado supercondutor é uma fase termodinâmica, e como tal, tem

características bem definidas. Por exemplo, a condutividade térmica cai abruptamente

quando o material passa para o estado supercondutor. A capacidade térmica também

sofre um salto.

Fazendo um estudo detalhado e levantando-se um diagrama de fase, onde

traçamos o campo magnético H versus a temperatura T, notamos que a transição

depende dos dois fatores, onde ficam claras duas regiões com fases diferentes, conforme

11

podemos ver no gráfico abaixo:

Basicamente, a relação é parabólica e diz que quanto menor a temperatura que o

material estiver, maior será o campo necessário para forçar uma transição de

supercondutor para normal, ou, quanto menor for o campo, maior será a temperatura de

transição. Da mesma forma, a corrente crítica varia com a temperatura e com o campo.

2.5) Classificação de Supercondutores: Os supercondutores podem ser classificados segundo inúmeros critérios:

Pela temperatura de transição:

Os primeiros supercondutores que foram descobertos em 1911 eram refrigerados a

hélio liquido (4.2K). Muitos anos passaram até que em 1986, Karl Müller e

Johannes Bednorz descobriram um material com propriedades supercondutoras

quando refrigerados a 35K. A linha divisória entre os HTS (High Temperature

Supercondutors) e os LTS (Low Temperature Superconductors) é o limite máximo

teórico de 30 K, que existia antes da descoberta do primeiro HTS em 1986. Uma

das diferenças principais entre o HTS e o LTS é que muitos HTS podem ser

refrigerados com nitrogênio líquido (77 K) e portanto com custo muito inferior ao do

hélio líquido.

Pelo entendimento que se tem correntemente sobre o mesmo:

Alguns supercondutores têm propriedades que não poder ser completamente

explicadas pela teoria BCS e relacionadas, os chamados supercondutores não

convencionais. Os que têm propriedades totalmente explicadas pelas teorias

correntes são chamados supercondutores convencionais. MgB2 é um exemplo de

um HTS e convencional. Nióbio é um supercondutor convencional e LTS.

Pelas propriedades físicas:

Alguns supercondutores (tipo I) têm somente um valor de campo crítico Hc,

12

mudando do estado supercondutor para o estado normal abruptamente quando o

campo ultrapassa Hc. Outros supercondutores (tipo II) apresentam duas (na

verdade três) temperaturas, Hc1 e Hc2, se comportando exatamente como um

supercondutor perfeito do tipo I quando o campo aplicado é menor que Hc1

(expulsando completamente o campo, por efeito Meissner). Acima de Hc2 o

material se comporta de forma resistiva, e entre os dois valores de campo, o

material se comporta em um estado misto, onde é penetrado por quantis de fluxo

magnético e há formação de redes de Abrikosov.

Pelo material:

Alguns materiais são considerados puros supercondutores quando formados por

substância simples, a exemplo do chumbo e do mercúrio e alótropos do carbono,

como nanotubos e diamante. A maioria dos supercondutores puros são to tipo I,

mas há exceções como o nióbio. Outros são chamados de ligas supercondutoras,

como o caso do nióbio-titânio, descoberto em 1962. E há os tipos cerâmicos, que

são os cupratos e o MgB2.

2.6) O Fenômeno Quenching: O fenômeno chamado quenching é o pior pesadelo que um acelerador de

partículas baseado em eletromagnetos supercondutores pode ter: um indutor

supercondutor carregado com uma corrente, normalmente elevada, pode, por algum

motivo qualquer (absorção de radiação ionizante, que o aquece, ou ultrapassagem do

campo crítico) fazer uma transição para o estado normal, onde passa ao regime resistivo.

A energia acumulada no indutor então será dissipada em forma de calor, porém, o

processo iniciará em um ponto e propagará por toda massa supercondutora (a menos que

haja alguma proteção prevista) em uma reação em cadeia, muito rápida. Normalmente o

tempo necessário para este fenômeno acontecer é muito curto, e a quantidade de energia

bastante elevada, de modo que pode haver destruição permanente do material

supercondutor por superaquecimento. No caso do CERN, em 2008, houve um acidente

que vaporizou parte dos tubos de aceleração dos feixes.

Capítulo III SUPERCONDUTORES NO LHC e AD

3.1) O Sistema de Eletromagnetos do LHC:

O LHC por ser um colisionador de partículas de proporções gigantes, tem um

sistema de eletromagnetos bastante complexo. Vários são os objetivos do sistema

magnético do LHC, mas podemos citar alguns desafios como manter o feixe de partículas

em sua órbita quase circular, focalizar e colimar o feixe (tanto longitudinalmente quanto

transversalmente), injetar e ejetar o feixe de partículas do colisionador, corrigir trajetórias,

etc.

Obviamente, dadas as proporções do LHC, o mesmo é dividido[8] em 8 setores (8

octantes), onde cada octante tem seu sistema de eletromagnetos alimentado e operado

de forma independente dos outros, de forma que assim fica menos complicada a

localização e eliminação de uma falha. Para se ter ideia da complexidade, no total o LHC

emprega 9593[1] eletromagnetos, dos quais a esmagadora maioria é de supercondutores.

Somente dipolos supercondutores, que são os maiores eletromagnetos empregados, são

1232[1](154 em cada octante) e são responsáveis por preencher mais de 2/3 dos 27 km do

túnel. A grandiosidade deste desafio não fica só na quantidade dos dipolos, mas também

nas suas características: cada dipolo pode ter uma energia de campo magnético

armazenada de até 7 MJ e no total, todos os 1232 dipolos constituem uma energia

armazenada de aproximadamente 10.4 GJ[8]. O campo alcançado máximo para operação

com dois feixes de 7 TeV é de 8.33 T, com previsão para um campo projetado máximo de

9 T. Foram gastas 1200 t de cabos supercondutores e 120 t de hélio líquido, sendo 90 t

somente para os eletromagnetos.

O fato de o LHC provocar colisões de partículas iguais (diferentemente do seu

antecessor, o LEP, que provocava colisões entre uma partícula negativa e uma positiva de

mesmo módulo) também complica mais o projeto do sistema magnético, pois quando

desejamos que duas partículas de mesma carga circulem em sentidos opostos (portanto,

os feixes são curvados para lados opostos) , então devemos gerar um campo para curvar

um feixe e, em separado, outro campo magnético com mesma amplitude, porém sinal

oposto, para curvar o outro feixe. Isso no LHC é conseguido através dos dipolos especiais

“2 em 1”[9].

Não somente dipolos são usados para manter o feixe sob controle, mas

quadrupolos (392 principais), sextupolos, octupolos[9] e outros mais, nas mais diversas

14

configurações, com a finalidade de realizar o strong-focusing (com dipolos somente é

possível realizar o weak-focusing). Todos os eletromagnetos supercondutores do LHC são

refrigerados por um complexo sistema criogênico que os mantém a 1.9 K[1], e que

consome 20 kW de energia.

A energia cinética é transferida aos dois feixes de partículas através de cavidades

ressonantes de rádio frequência, que no caso do LHC, também são supercondutoras, por

apresentar perdas energéticas muito inferiores às das cavidades de RF convencionais.

Cada feixe de partículas é acelerado por oito cavidades de RF supercondutoras operando

a 400 MHz e com potência de 2 MW cada. Os supercondutores das cavidades de RF são

refrigerados a 4.2 K[1], e a refrigeração consome 150 kW.

3.2) Os Cabos Supercondutores de Transmissão de Energia do LHC:

O colisionador anterior, o LEP, utilizava para transmissão de energia cabos

convencionais de cobre. Quando o LHC começou a ser construído, no mesmo túnel onde

funcionou o LEP, os componentes do LHC demandavam mais espaço que os

componentes do LEP. Uma das soluções empregadas para redução de volume foi

substituir alguns dos cabos convencionais por cabos supercondutores[10]. Podemos ver na

figura 2 uma comparação entre os cabos de transmissão de energia do LEP e do LHC.

Figura 2a – Cabos de 12.5 kA do LEP (acima) e do LHC(abaixo).

15

Figura 2b – Microfotografia dos cabos de NbTi usados no LHC e detalhes do cabeamento

tipo Rutherford.

Tais cabos são chamados bus-bars, e no caso do LHC existem bus-bars do tipo

Rutherford (como podemos ver na figura 2) que são especificados para três regimes

diferentes de corrente: 600 A, 6000 A, e 13000 A (o da figura 2 é na verdade parte dos

circuitos de 13 kA). Tais cabos são os mesmos usados para os enrolamentos dos

eletromagnetos principais. Cada bus-bar tem no máximo 17 m e se foram somados os

comprimentos de todas as bus-bars somente do circuito de 13 kA, no LHC elas totalizam

aproximadamente 150 km[10].

Os bus-bars especificados para 13 kA, segundo [10], são construídos de 36 fios

com filamentos de NbTi de 6 μm de diâmetro cada, em uma matriz de cobre para

estabilização térmica e que ajuda em caso de quenching. O arranjo é refrigerado a 1.9 K e

tem como corrente crítica mínima quando submetido a um campo magnético de 9 T, de

12960 A no mínimo.

O material usado portanto (NbTi) é um supercondutor de baixa temperatura, que

tem sua temperatura de transição a campo zero em torno de 10K. Nota-se então, neste

ponto, que o cabo se tornaria supercondutor muito bem a 4.2 K, ou seja, na mesma

temperatura que as cavidades de SRF operam, porém, alguns outros fatores obrigaram o

projeto do sistema criogênico a abaixar mais ainda a temperatura de operação para 1.9 K.

Um ponto importante é que não seria possível atingir um campo extremo de 9 T

com o NbTi refrigerado a 4.2 K, dada a relação entre campo crítico x temperatura, como

podemos fer na figura 3. A 4.2 K seria possível somente atingir um campo de 6.8 T, que é

insuficiente para a geração de eventos de 14 TeV.

16

Figura 3a – Características do material usado na construção dos cabos supercondutores

usados no LHC (NbTi).

Figura 3a – Características dos materiais de escolha para construção dos cabos

supercondutores usados no LHC. A seta horizontal representa um ganho de 3 T no campo

crítico.

Outro fator que levou à escolha da temperatura de 1.9 K para operação é a

utilização do hélio superfluido. À pressão ambiente, o hélio liquefaz a 4.2 K, porém, ao ser

resfriado mais, em torno de 2.17 K, o hélio sofre uma segunda transição de fase, e passa

para o estado de superfluido, o qual tem várias características marcantes, dentre as quais

17

uma elevada condutividade térmica, o que o torna o fluido criogênico ideal para esta

aplicação.

Os bus-bars não são conectados diretamente aos eletromagnetos

supercondutores, mas sim através de current leads feitos de supercondutores de alta

temperatura. Tais HTS current leads diminuem em até 10 vezes a entrada de calor no

hélio superfluido, portanto diminuindo em muito[11](cai a 1/3) a potência necessária para os

criostatos. O efeito é causado, porque após a transição de normal para supercondutor, o

HTS tem sua condutividade térmica muito diminuída, e o HTS se torna um péssimo

condutor de calor.

Foi feito um estudo[12], após a aplicação massiva bem sucedida de HTS current

leads de 13 kA, 6 kA e 600 A (em um total de corrente fornecida de 3.4 MA, e todas

baseadas em Bi-2223) da viabilidade de expandir o uso de supercondutores de alta

temperatura para os bus-bars, ao invés de utilizar supercondutores de baixa temperatura.

Chegou-se a conclusão que esta será uma proposta de upgrade futuro do LHC, e

protótipos estão sendo construídos para qualificar o conceito e comparar performance.

Dentre as futuras vantagens de empregar HTS em bus-bars ao invés de LTS, pode-se

citar: A possibilidade de remoção das caixas de alimentação e conversores de potência

das proximidades imediatas do feixe, onde há níveis de radiação elevados (e portanto,

estes elementos ativos de circuito não mais necessitarão de proteção extra, ou rad-hard,

para evitar uma falha causada pela radiação ionizante); a utilização de maiores correntes

e portanto menores indutâncias nos magnetos, tornando menos crítica a proteção contra

quenching; a utilização de sistemas de criogenia menos críticos para evitar o quenching;

3.3) Os Dipolos e Outros Eletromagnetos Multipolos Supercondutores do LHC:

No total, em todos os eletromagnetos usados no LHC, 4 tipos de cabos Rutherford

são usados[13]. Os dipolos são construídos com dois tipos de cabos (cabo 1 e cabo 2)

enquanto que os quadrupolos são construídos com somente um cabo (cabo 2). O cabo 2

é o mesmo usado nas bus-bars, enquanto que o cabo 1 emprega filamentos

supercondutores de 7 μm de diâmetro e 28 fios por cabo, também em uma matriz de

cobre. Outros eletromagnetos multipolos utilizam os cabos do tipo 3 e 4, onde ambos têm

filamentos de 6 μm, e diferem apenas na relação entre cobre/supercondutor. Uma das

razões de se utilizar cabos com vários filamentos de NbTi em lugar de cabos com

somente um filamento, é que o campo próprio pode penetrar facilmente no espaço entre

os filamentos, causando uma estabilidade maior na geração de campos magnéticos, e

18

menos diamagnetismo, o que e traduz em uma linearidade melhorada.

Um dos motivos para o NbTi ter sido escolhido para a construção dos

eletromagnetos, em lugar do Nb3Sn, é que o NbTi é muito melhor trabalhado

mecanicamente e mais barato, possibilitando posicionar os fios de forma muito mais

precisa nos eletromagnetos. No caso de eletromagnetos convencionais, com polos de

ferro, a geometria dos polos é que determina a precisão e a qualidade do campo gerado.

Nos eletromagnetos supercondutores (sem ferro), o que determina é a posição dos

supercondutores.

Outro motivo do NbTi ter sido escolhido é que o projeto do LHC visava utilizar um

túnel já existente, e portanto operaria com campos muito altos (nem o Superconducting

Super Collider iria, se fosse construído, usar um campo tão alto como 8.33 T), daí a

operação com NbTi resfriado a 1.9 K, provê 3 T a mais que o NbTi a 4.2 K, sendo

considerado suficiente, e se tornou uma solução muito mais econômica e confiável que a

solução empregando Nb3Sn[14]. O Nb3Sn porém, possibilita gerar campos mais altos.

Ademais, durante o desenvolvimento da tecnologia de produção de cabos de NbTi

para aceleradores de partículas, o desempenho dos cabos aumentou até chegar ao que é

considerado o limite prático de pinning do fluxo magnético, o que sinaliza maturação da

tecnologia de NbTi.

O fato de se empregar uma tecnologia bastante madura é importantíssimo, se

levarmos em conta que os principais dipolos operam com 86% da capacidade teórica

(capacidade antes do quenching), eventualmente chegando a 93%. Nota-se então que um

desvio de 5% nas características do supercondutor poderia prejudicar seriamente a

operação do LHC.

Alguns dos requerimentos dos eletromagnetos utilizados no LHC são:

Devem poder ter seu campo variado linearmente de 0.5 T a 8.33 T.

Devem manter uma geometria de campo gerado bem acurada, sob ambos

regimes de energização e estacionário.

Todos os eletromagnetos do mesmo tipo devem ser conectados em série para

garantir essencialmente a mesma corrente.

Apesar de serem muito grandes, devem gerar campos confinados em pequenos

espaços.

Concluímos então que, para o eletromagneto ser bem linear e ter seu campo com

geometria bem acurada, a magnetização devido às correntes persistentes do

supercondutor deve ser pequena, e que a densidade de corrente deve ser elevada, além

19

da necessidade de reduzir ao máximo a relação cobre/supercondutor nos cabos, evitando

assim diluição excessiva da densidade de corrente.

Em relação à magnetização devido às correntes persistentes, esta é proporcional

ao produto densidade de corrente x diâmetro efetivo. Como desejamos maximizar a

densidade de corrente e minimizar a magnetização, fica claro então que o diâmetro

efetivo dos filamentos deve ser minimizado, o que leva a filamentos de 6 ou 7 μm, e em

número de 6000 a 8000 por fio.

Vários fatores também determinaram o tipo de cabeamento, tipo Rutherford. O

cabo deste tipo foi o cabo que proporcionou o maior fator de compactação e ainda assim

manteve uma permeabilidade ao hélio líquido adequada. Também, o cabo do tipo

Rutherford é o tipo de cabeamento que proporciona a menor degradação da corrente

crítica do supercondutor depois de ser enrolado em relação à antes de ser enrolado. No

caso dos cabos usados no LHC, esta degradação chegou a ser medida pelos seis

diferentes fabricantes, e foi considerada desprezível.

O CERN manteve uma instalação[16,17] para recepção e teste individual dos cabos,

de modo a rejeitar cabos com magnetização acima do permitido (28 mT a 0.5 T), e,

através de saltos na magnetização que não foram correlacionados com a corrente crítica

e outros parâmetros, conseguiu rastrear a causa deste problemas, detectando a falha no

processo de fabricação por extrusão a quente do fios.

Os principais magnetos empregados no LHC são mesmo os dipolos, não somente

por ocuparem aproximadamente 2/3 do túnel, mas também por serem os de projeto mais

desafiador. Como já foi dito, o projeto do dipolo é do tipo “2 em 1”, para poder curvar dois

feixes positivos em direções opostas. Podemos ver na figura 4 um corte transversal dos

dipolos Os outros multipolos são de projeto menos crítico.

20

Figura 4 – Visão em corte de um dipolo do LHC.

Um multipolo que merece atenção especial é o octupolo empregado no

experimento ALPHA, no desacelerador de antiprótons. Tal octupolo[7] está atualmente

sendo empregado, junto com um solenoide, na tentativa de criar uma armadilha para o

antihidrogênio (que não tem carga elétrica, mas tem momento magnético), baseado no

campo mínimo-B (armadilha de Penning-Malmberg), e pode ser visto um exemplo na

figura 5. A ideia é criar um lugar geométrico onde o campo magnético aumenta para todas

as direções. Este lugar, no caso, é o eixo do solenoide

21

Figura 5 – Exemplo de uma armadilha de minimo-B e princípio de funcionamento.

A detecção de antimatéria é feita desligando-se o octupolo supercondutor

rapidamente, em no máximo 10 milissegundos, e deixando o antihidrogênio aniquilar com

as paredes do detector. O ponto principal de interesse dessa aplicação de

supercondutores é como desligar um eletromagneto supercondutor tão rápido:

provocando o quenching, e transformando-o instantaneamente em um resistor e

dissipando a energia em forma de calor, muito rapidamente. Obviamente, o projeto deste

eletromagneto prevê proteções para evitar acidentes como o de 2008. Até o presente

momento, testes foram realizados no Berkeley Laboratory para garantir que o

eletromagneto iria resistir, e de fato, ele resiste. Apesar disso, o sistema magnético desta

armadilha ainda é um fator muito limitador e até agora nenhum antihidrogênio foi

capturado, pois ainda está sendo produzido com energias cinéticas muito altas.

3.4) As Cavidades de Ressonância SRF do LHC: As maiores aplicações das cavidades ressonantes de RF supercondutoras são de

longe os aceleradores de partículas. As cavidades SRF são o modo pelo qual a energia

cinética é transferida para as partículas a serem aceleradas. Em suma, é uma cavidade

com as dimensões bem controladas, de modo que quando uma fonte de RF é ligada a

22

uma antena no interior da cavidade, e quando esta fonte está sintonizada na mesma

frequência natural da cavidade, temos um efeito ressonante, ou seja, a energia

armazenada nos campos elétrico e magnético só aumenta, do mesmo modeque a

corrente e a tensão em um circuito tanque. Sincronizando este efeito de ressonância a um

feixe de partículas carregadas passante, o feixe então pode sair com uma energia cinética

maior do que a energia com que entrou, conforme visto na figura 6.

Figura 6 – Esquema de funcionamento de uma cavidade ressonante supercondutora,

refrigerada a hélio líquido. Nióbio puro é usado para recobrir as paredes internas.

Interessantemente, a motivação de se empregar cavidades ressonantes

supercondutoras em lugar de convencionais não é a economia de energia gasta total e

sim:

Capacidade de operação por longos regimes de tempo x potência, por não

serem dissipativas. Cavidades convencionais de cobre não podem operar em

potências elevadas por muito tempo pois podem derreter, devido ao calor

gerado.

Praticamente toda a energia da fonte de RF é transferida para o feixe de

partículas, haja visto que as perdas nas paredes da cavidade são desprezíveis.

Em cavidades convencionais, a energia perdida nas paredes normalmente se

iguala ou ultrapassa a energia transferida para o feixe.

O fator Q das cavidades supercondutoras é muito mais elevado que das

convencionais.

As cavidades supercondutoras são empregadas no LHC tanto para acelerar o feixe

de partículas como para repor a energia perdida pelo feixe devido à radiação síncrotron

3.5) Sistema de Proteção contra Quenching: Devido aos enormes níveis de energia armazenados nos eletromagnetos

23

supercondutores, e devido às condições críticas de trabalho de alguns elementos do

sistema magnético, os supercondutores ficam sob risco constante de quenching. De fato,

em 19 de setembro de 2008 um severo acidente foi causado por uma falha na conexão

entre os eletromagnetos supercondutores. Apesar do componente suspeito[16] de ter

causado a falha ser de relativamente baixa tecnologia (emendas), a falha em si está

intrinsecamente ligada às sutilezas da supercondutividade, e revelou falhas de projeto e

do controle de qualidade.

A figura 7 mostra o esquema de uma emenda no cabo supercondutor. Entre a

matriz de cobre e os filamentos supercondutores, há um preenchimento com liga de

estanho-prata.

Figura 7 – Emenda no cabo supercondutor.

No caso do acidente, investigações posteriores revelaram que uma falha no

preenchimento com a liga de estanho-prata pode ter sida a causa do acidente. A matriz de

cobre é projetada para suportar por 1 segundo toda a corrente do cabo em caso de uma

transição total para o estado normal. Neste intervalo de 1 segundo entram em ação as

medidas de proteção e desligamento do eletromagneto.

A falha no preenchimento foi tal que não havia contato elétrico entre as matrizes de

cobre dos cabos emendados, conforme podemos ver na figura 8, e quando houve uma

transição de supercondutor para normal, não houve o tempo normal de 1 segundo para o

sistema de detecção de quenching agir. O resultado é que o local do quenching acabou

por absorver a energia de todos os outros 152 dipolos ligados em série, vaporizando

completamente o ponto e uma parte dos tubos dos feixes. Muita fuligem contaminou mais

de 1 km dos tubos e 6 toneladas de hélio vazaram devido à explosão.

24

Figura 8 – Falha na emenda que possivelmente foi a causa do acidente de 2008.

A proteção age bypassando a corrente por um diodo frio[16], caso seja detectado

algum aumento na voltagem entre os terminais de um dipolo Como não houve tempo da

proteção entrar em ação, o quenching aconteceu, e como se não bastasse, a explosão

deslocou longitudinalmente 26 dipolos[16](de 30 toneladas cada) em uma espécie de efeito

dominó, e com isso danificou mais bus-bars, e provocando a liberação de mais energia.

Excluindo defeitos, a margem de operação estável em 1.9 K é bastante apertada,

pois a relação cobre/supercondutor é baixa e a capacidade térmica nesta temperatura

também muito baixa, de modo que, quando há um quenching, a densidade de corrente no

cobre ultrapassa 1 kA/mm2, elevando a temperatura muito rapidamente e iniciando uma

reação em cadeia[16].

Capítulo IV SUPERCONDUTORES NOS DETECTORES ATLAS E CMS

4.1) A Detecção de Partículas: Na física de altas energias, mais especificamente nos detectores associados ao

LHC, a detecção de partículas é feita de forma indireta. Vários sensores diferentes são

colocados ao redor do local da colisão (evento) e uma quantidade de dados enorme vinda

desses sensores é gerada e gravada, com a finalidade de ser processada posteriormente

e de se “recriar” o evento no ambiente computacional. Algumas partículas (neutrinos por

exemplo) somente pode ser observadas após recriar um evento e descobrir que há uma

energia e momento “faltantes”, ambos compatíveis com o que o modelo da física de

partículas prevê para aquela partícula[1].

Apesar de terem finalidades diferentes, e de terem princípios de funcionamento

diferentes, os detectores ATLAS, ALICE, CMS e LHCb invariavelmente utilizam campos

magnéticos intensos para curvar a trajetória das partículas produzidas. Destes, ATLAS e

CMS utilizam eletromagnetos supercondutores, enquanto que o LHCb utiliza um

eletromagneto convencional, de alumínio e ALICE utiliza um grande indutor, o L3, usado

no extinto LEP.

4.2) Os Eletromagnetos no ATLAS: O detector ATLAS é um complexo arranjo de sensores que pretende medir

inúmeros parâmetros, como carga e momento, das partículas gerada na colisão frontal de

dois prótons. Os sensores que empregam eletromagnetos supercondutores são o detector

de múons, que usa 8 toroides supercondutores, e a câmara de rastreio, que emprega um

solenoide central.

Os toroides geram um campo tangencial de 1 T e o solenoide central um campo

axial de 2 T. Ambos não operam entranto, à mesma temperatura.

Como características principais dos toroides, podemos citar: corrente nominal de

20.5 kA, campo máximo de 3.9 T, corrente crítica a 4.2 K e 5 T de 58 kA, energia

magnética armazenada máxima de 1.08 GJ e 120 espiras.

Como características principais do solenoide central, temos: corrente nominal de

7.6 kA, campo máximo de 2.6 T, corrente crítica a 4.2 K e 5 T de 20.4 kA, energia

magnética de 40 MJ e 1173 espiras.

Ambos toroides e solenoide central foram construídos com supercondutores tipo II

26

e de baixa temperatura, os cabos de NbTi, estabilizados em uma matriz de alumínio. Os

cabos to toroide têm 38 fios de 1.3 mm enquanto que os cabos do solenoide têm 12 fios

de 1.22 mm de diâmetro[15]. Não são usados current leads de material supercondutor no

ATLAS, entretanto.

4.3) O Eletromagneto do CMS: O detector CMS emprega somente um grande solenoide supercondutor, e gera um

campo de até 4 T, sendo 3.8 T nominais. Mais uma vez vemos o NbTi sendo usado, e a

corrente nominal para o funcionamento é de 18.2 kA, com uma indutância de 14 H e

corrente de pico de 19.5 kA.

Na corrente nominal de funcionamento, temos então uma energia total armazenada

de 2.3 GJ o que equivale a meia tonelada de TNT. Obviamente, há circuitos de proteção e

descarga desta energia em caso de um quenching.

Devido à pequena resistência no circuito de alimentação, que essencialmente é a

resistência dos cabos que levam a corrente do conversor de potência até o solenoide (em

torno de 0.1 mΩ), e alta indutância, o circuito é o que tem maior constante de tempo no

CERN, que chega a 39 horas.

Capítulo V CONCLUSÕES

Uma abordagem sobre os vários tipos de supercondutores existentes atualmente

no CERN foi feita, e investigados detalhes técnicos como a motivação da escolha do

material supercondutor, vantagens em se utilizar os mesmos, riscos envolvidos e sistemas

de proteção associados. Uma citação rápida da teoria foi feita a fim de facilitar o leitor no

entendimento desta obra.

Como conclusões principais, o autor pode citar:

Há uma forte tendência de utilização de supercondutores HTS em futuros

melhoramentos do LHC e experimentos do CERN. HTS funcionam com uma

margem de estabilidade maior contra quenching quando resfriados com hélio

líquido, e ademais suportam campos muito mais altos que os LTS. A escolha do

material supercondutor NbTi foi em 1989, somente 3 anos após a descoberta

dos HTS, portanto, não era uma tecnologia madura o suficiente.

Nota-se que, de 1989 a 2009, a performance do Nb3Sn melhorou

significativamente, apesar de continuar muito mais caro que o NbTi.

Nem sempre o fenômeno quenching é indesejado. Ele pode ter causado o

acidente de 2008, mas no detector ALPHA ele é projetado para acontecer.

As motivações de empregar supercondutores nem sempre estão relacionadas à

economia de energia e redução de perdas, como vimos nas cavidades

ressonantes de RF. No caso, a motivação trata-se da qualidade alcançada pelo

equipamento e sua robustez.

Nota-se claramente que os dipolos trabalham em uma margem bastante

apertada (apesar de serem resfriados bem além do Tc), com risco de quenching

elevado. Isso é devido a necessidade de gerar campos muito altos para se

poder aproveitar o mesmo túnel do LEP. Também, o projeto dos dipolos não foi

trivial, pois no túnel não cabem dois dipolos separados lado a lado, obrigando o

projeto “2 em 1”.

Detalhes técnicos dos cabos, incluindo os que podem ter a haver com a falha

que causou o acidente de 2008, foram discutidos. A escolha do material, o tipo

de enrolamento, o diâmetro dos filamentos, a magnetização por correntes

persistentes e a temperatura de operação foram abordados.

BIBLIOGRAFIA:

[1] – “CERN Brochure Faq: LHC the guide”, online, capturado em 2/9/2010 de

http://cdsmedia.cern.ch/img/CERN-Brochure-2009-003-Eng.pdf

[2] – Rossi, L.; , "The Large Hadron Collider and the Role of Superconductivity in One of

the Largest Scientific Enterprises" Applied Superconductivity, IEEE Transactions on ,

vol.17, no.2, pp.1005-1014, June 2007 doi: 10.1109/TASC.2007.899260

URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=4277681&isnumber=4277

259

[3] – X. Zheng; , " Operation Status of SRF Systems in the Storage Ring of SSRF"

Proceedings of SRF2009, Berlin, Germany , vol.28, no.3, pp. 259-262, June 2009 URL:

http://epaper.kek.jp/SRF2009/papers/tuppo028.pdf

[4] – “ATLAS”, online, capturado em 2/09/2010 de

http://public.web.cern.ch/Public/en/LHC/ATLAS-en.html

[5] – “CMS Compact Muon Solenoid”, online, capturado em 02/09/2010 de

http://public.web.cern.ch/Public/en/LHC/CMS-en.html

[6] – “CMS Experiment”, online, capturado em 02/09/2010 de

http://cms.web.cern.ch/cms/index.html

[7] - Paul Preuss, " Angels, demons, and antihydrogen: The real science of anti-atoms"

SymmetryBreaking, Berkeley Lab’s News Center , vol.07, no.4, 5 May 2009

URL: http://www.symmetrymagazine.org/breaking/2009/05/07/angels-demons-and-

antihydrogen-the-real-science-of-anti-atoms/

[8] - Jörg Wenninger, “Operational Challenges of the LHC. part 2: LHC challenges” CERN Accelerators and Beams Department Operations group. November 2007. URL: http://irfu.cea.fr/Phocea/file.php?file=Seminaires/1595/Dapnia-Nov07-partB.ppt

29

[9] - J. Beauquis et al. “LHC Dipole Geometry parameters, comparison between

producers” 7th IWAA conference, Geneva, 2004.

URL: www.slac.stanford.edu/econf/C04100411/papers/046.PDF [10] - Belova, L.; Genet, A.; Perinet-Marquet, J.-L.; Ivanov, P.; Urpin, C.; , "Design and

manufacture of the superconducting bus-bars for the LHC main magnets," Applied

Superconductivity, IEEE Transactions on , vol.12, no.1, pp. 1305- 1309, Mar 2002

doi: 10.1109/TASC.2002.1018642

URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=1018642&isnumber=2191

3

[11] - Ballarino, A.; , "Current leads for the LHC magnet system," Applied

Superconductivity, IEEE Transactions on , vol.12, no.1, pp. 1275- 1280, Mar 2002

doi: 10.1109/TASC.2002.1018635

URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=1018635&isnumber=2191

3

[12] - Ballarino, A.; Mess, K.H.; Taylor, T.; , "Extending the Use of HTS to Feeders in

Superconducting Magnet Systems," Applied Superconductivity, IEEE Transactions on ,

vol.18, no.2, pp.1455-1458, June 2008.

doi: 10.1109/TASC.2008.920622

URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=4518941&isnumber=4538

104

[13] - Sanfilippo, S.; Sammut, N.; Bottura, L.; Di-Castro, M.; Basu, A.; Koutchouk, J.-P.;

Todesco, E.; Hagen, P.; Catalan-Lasheras, N.; Venturini-Delsolaro, W.; Giloux, C.; Wolf, R.;

, "Magnetic Performance of the Main Superconducting Magnets for the LHC," Applied

Superconductivity, IEEE Transactions on , vol.18, no.2, pp.132-137, June 2008.

doi: 10.1109/TASC.2008.920664

URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=4484940&isnumber=4538

104

[14] - Wilson, M.N.; , "Superconducting magnets for accelerators: a review," Applied

Superconductivity, IEEE Transactions on , vol.7, no.2, pp.727-732, Jun 1997

30

doi: 10.1109/77.614607

URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=614607&isnumber=13416

[15] - Kate, H.H.J.; , "ATLAS superconducting toroids and solenoid," Applied

Superconductivity, IEEE Transactions on , vol.15, no.2, pp. 1267- 1270, June 2005

doi: 10.1109/TASC.2005.849560

URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=1439873&isnumber=3100

7

[16] – L. Rossi, “Superconductivity: its role, its success and its setbacks in the Large

Hadron Collider of CERN”, Superconductor Science and Technology vol. 23, no. 3, March

2010.

doi: 10.1088/0953-2048/23/3/034001

URL: http://iopscience.iop.org/0953-2048/23/3/034001/

[17] – Verweij, A.P.; Genest, J.; Knezovic, A.; Leroy, D.F.; Marzolf, J.-P.; Oberli, L.R.; , "1.9

K test facility for the reception of the superconducting cables for the LHC," Applied

Superconductivity, IEEE Transactions on , vol.9, no.2, pp.153-156, Jun 1999.

doi: 10.1109/77.783259

URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=783259&isnumber=16992