美國能源部(DOE)勞倫斯-伯克利國家實驗室(Berkeley Lab)在制造關鍵的超導電纜的多年過程中已經過了一半，這是升級歐洲核子研究中心大型強子對撞機(LHC)項目的一部分。目前正在進行的這一升級，將大大提高該設施的碰撞率和科學生產力。

高亮度LHC加速器升級項目，或HL-LHC AUP，是美國對LHC設施升級的一個多機構貢獻。這個項目的總部設在美國能源部的費米國家加速器實驗室(Fermilab)。

一組更強大的聚焦磁鐵，被稱為 "內三重"，計劃安裝在大型強子對撞機的相互作用點的兩側，獨立的質子束在那里碰撞。通過在相互作用點將質子束擠壓到更高的密度，這些更強大的聚焦磁鐵將在機器的生命周期內增加至少10倍的碰撞次數。這將大大增加發現新物理學的機會。

HL-LHC AUP聚焦磁鐵的線圈由銅基中的先進鈮錫(Nb3Sn)超導體制成。伯克利實驗室的關鍵貢獻之一是制造所有用于磁體的電纜。這項任務在2021年1月達到了一半的目標。

費米實驗室的AUP項目經理喬治-阿波利納里在談到這一里程碑時說："這是一個偉大的'轉折點'成就，因為它使項目能夠繼續不受阻礙地生產這些關鍵的HL-LHC AUP磁體。"

伯克利實驗室項目負責人和伯克利磁體技術中心(BCMT)主任Soren Prestemon補充說："這個半程標志對我們的布線團隊來說是一個巨大的里程碑，他們為項目提供了特別的服務，考慮到COVID限制下現場工作的復雜性，這就更加了不起。"

在能源部的項目管理過程中，整個AUP最近獲得了關鍵決定3(CD-3)的批準，為磁體本身的系列化生產打下了基礎。電纜制造已經在一種管理方法下開始，在磁體的系列生產之前，諸如電線采購和電纜制造等周期長的項目已經獲得批準。

"伯克利實驗室加速器技術和應用物理部(ATAP)主任Cameron Geddes說："AUP項目利用了伯克利實驗室在先進Nb3Sn磁鐵技術方面的廣泛專業知識和能力。ATAP和工程部成立了BCMT，以便在先進的磁體設計方面聯合起來。Geddes補充說："這個關鍵的里程碑顯示了實驗室對該項目的承諾以及該團隊實現其挑戰性要求的獨特能力。"

從導體到電纜到磁鐵

大多數人都見過或甚至制造過由單個電線線圈制成的電磁鐵，這是學校科學展和消費產品中熟悉的項目。然而，有很多原因說明這些東西在加速器磁體中不能很好地工作。相反，加速器使用由多股超導線材組成的電纜。這些電纜是平的，具有矩形或非常輕微的梯形 "鍵合 "截面，這種外形被稱為 "盧瑟福式"，是根據英國盧瑟福-阿普爾頓實驗室的設計開發的。

鄭丹正在進行磁鐵組裝。資料來源：Marilyn Sargent/伯克利實驗室

盧瑟福電纜在其寬面上彎曲時是靈活的，這使得線圈的纏繞很容易。然而，電纜薄邊的股線嚴重變形，其熱電穩定性可能會下降，因此必須仔細監測和控制塑形。

整個AUP團隊得到了美國能源部科學辦公室的支持，由六個美國實驗室和兩所大學組成。費米實驗室、布魯克海文國家實驗室、勞倫斯伯克利國家實驗室、SLAC國家加速器實驗室和托馬斯杰斐遜國家加速器設施(都是DOE國家實驗室)，以及國家高磁場實驗室、老多明尼克大學和佛羅里達州立大學。在設計、建造和測試這些先進磁體及其組件的挑戰中，每個人都帶來了獨特的優勢。工業合作伙伴提供超導線材。

伯克利實驗室將電纜運到費米實驗室或布魯克海文，制成線圈并進行反應(熱處理)以激活其超導性。反應后的線圈被送回伯克利實驗室，該實驗室用它們來制造四極磁鐵。這篇最近的文章深入介紹了多個機構如何利用其互補的優勢為AUP制造磁鐵。

"這些磁體是超過15年的技術發展的結晶，從LARP(大型強子對撞機加速器研究計劃)合作開始，"伯克利實驗室工程部的Dan Cheng說。

鷹眼看質量，大有合作心

今年慶祝成立90周年的伯克利實驗室在設計和建造加速器方面有著悠久的國內和國際合作歷史，其超導磁體專業技術可以追溯到20世紀70年代初。

伯克利實驗室的行星運動布線機是在20世紀80年代初設計和安裝的，多年來一直得到不斷的升級。它為能源部的大量項目做出了貢獻，如費米實驗室的泰瓦特龍升級，然后是超導超級對撞機的早期開發。今天，該布線設施是伯克利實驗室超導磁體活動的關鍵基礎設施。

布線設施還擁有一套世界級的質量保證系統來監測電纜的性能。其中包括一臺在線電纜測量機，可以在設定的壓力下測量電纜的尺寸參數;一個在線攝像系統，可以記錄制造的電纜所有四面的每一毫米，并進行圖像分析;以及一個專門設計的低溫冷卻系統，用于重復測量關鍵參數。

組裝和使用這些設備的人都在伯克利實驗室的ATAP和工程部門。ATAP的職員科學家和伯克利實驗室HL-LHC AUP的布線經理Ian Pong說："我們不僅有世界一流的設備來制造最先進的超導電纜，而且最重要的是，有一個世界一流的團隊，他們對質量有一雙鷹眼，對項目有一顆合作的誠心。"

Apollinari說："由Ian領導的伯克利實驗室小組在Nb3Sn電纜的高質量生產中表現突出，不僅滿足了苛刻的質量保證和控制要求，而且實現了大大超過此類活動預期產量的生產。這顯然對AUP項目有很大幫助，無論是從經濟角度還是從進度角度。