De niobium-tin dipoolmagneet is ontworpen en gemaakt voor de Large Hadron Collider, de nieuwe deeltjesverneller die CERN in Génève bouwt voor het onderzoek naar elementaire deeltjes. In reusachtige detectoren langs de 27 km lange cirkelvormige baan van de LHC laten onderzoekers subatomaire deeltjes met grote snelheden tegen elkaar botsen. Hoe groter de botsingsenergie, hoe kleiner de deeltjes die kunnen worden waargenomen.
Voor deze LHC zijn speciale magneten met extra grote veldsterktes nodig. Sinds 1988 is gewerkt aan de ontwikkeling van nieuwe dipoolmagneten van de supergeleidende materialen niobium-titaan (NbTi) en niobium-tin (Nb3Sn). Zo'n 1800 niobium-titaan magneten van minimaal 8 Tesla zijn nodig om de elementaire deeltjes in de ring af te buigen. De extra krachtige niobium-tin magneten zijn met name nodig voor toepassing in de detectoren.
Voor beide typen magneten zijn ook de Nederlandse industrie en wetenschap ingeschakeld. HOLEC Ridderkerk heeft inmiddels een één meter lang prototype gebouwd van een niobium-titaan dipoolmagneet van 9.5 Tesla, en werkt nu aan een versie van zo'n 10 meter lengte. De Twentse groep van Ten Kate was in samenwerking met CERN, NIKHEF en HOLEC, en met financiële steun van STW, verantwoordelijk voor de ontwikkeling van de experimentele niobium-tin dipoolmagneet, een wetenschappelijk gezien nog moeilijker klus.
Kunst
Niobium-tin garandeert hoge veldsterktes, maar de brosheid van het keramische materiaal maakt het moeilijk verwerkbaar tot de kabel die voor de magneet nodig is. De kunst is bovendien om de kabel zo om de magneetspoel te wikkelen dat de veldsterkte geen mechanische vervorming veroorzaakt. Vervorming leidt tot warmte-ontwikkeling, en daardoor gaat het supergeleidende effect direct verloren ('quenching'). Voor het wikkelen van de kabel is bij de Twentse magneet gebruik gemaakt van een door ECN ontwikkelde, door SMI geproduceerde 'powder-in-tube niobium-tin geleider'.
Normaal gesproken is een niobium-tin magneet niet perfect gewikkeld. Zo'n magneet heeft daarom voor ingebruikstelling een 'training' nodig om zijn maximale veldsterkte te bereiken. Elke keer dat de magneet daarbij quencht wordt hij een stukje beter. Tijdens de opeenvolgende test-runs 'schikt' het supergeleidende materiaal zich als het ware onder invloed van het eigen magneetveld tot uiteindelijk de ideale geometrie is bereikt.
Tijdrovend
Toch is dat trainingsgedrag van de magneet eigenlijk een tekortkoming van het ontwerp of de constructie, zegt Ten Kate. Want het trainen is omslachtig, tijdrovend en duur. 'Bij een kleine magneet ben je er al uren mee bezig. Het wordt helemaal ondoenlijk als je voor de LHC 1800 bijna tien meter lange magneten stuk voor stuk moet trainen. Daarom heeft CERN de gestelde specificaties eerder al teruggebracht tot 8 Tesla.'
Een en ander maakt de gepaste opwinding over de Geneefse test begrijpelijk.De Twentse magneet bereikte zijn record-veldsterkte immers al bij de eerste test-run. Hij blijkt zo goed gewikkeld dat hij in één keer op maximale sterkte is. Hij kan zonder dure, tijdrovende trainingsprocedures zo worden geinstalleerd. 'Een enorm groot voordeel', zegt Ten Kate.
De behaalde veldsterkte van 11.4 Tesla bij 4.3 Kelvin wordt met dit alles extra opmerkelijk. Eerdere records met niobium-titaan magneten - CERN haalde 10.5 Tesla bij 1.8 Kelvin (equivalent met 8.6 Tesla bij 4.3 Kelvin) en een groep uit Berkeley (VS) bereikte 8 Tesla bij 4.3 Kelvin, en 10.5 Tesla bij 2 Kelvin - werden gevestigd na vele test-runs. Ook het vorige record voor niobium-tin magneten - op naam van een Zwitsers-Oostenrijkse magneet van ELIN-CERN met 9.5 Tesla - kostte circa 12 test-runs.
Mogelijkheden
'Onze magneet geeft dus in één keer een 2 Tesla betere performance dan alle tot nu toe gemaakte magneten', concludeert Ten Kate. En daarmee zijn de mogelijkheden niet uitgeput. 'Als we de magneet verder afkoelen tot 1.8 Kelvin wordt zijn prestatie nog veel beter. Ik denk dat we dan een veldsterkte van wellicht 13.5 Tesla kunnen bereiken.' De experimentele Twentse niobium-tin magneet biedt daarmee ongekende nieuwe mogelijkheden op het gebied van hoge-veldsterkte magneten voor deeltjesversnellers.
De verdere toekomst van de Twentse magneet hangt nu af van de bereidheid bij CERN om de komende maanden geld op tafel te leggen voor nadere proeven, zoals test-runs bij 1.8 Kelvin. Als alle tests goed uitvallen is de magneet kandidaat voor toepassing in de LHC-detectoren. Ten Kate hoopt dat dan Nederlandse bedrijven waarmee hij samenwerkt, zoals HOLEC en SMI, mee kunnen doen met de daadwerkelijke produktie van de magneten.
Maar Ten Kate kijkt verder. Eerder dit jaar sprak hij tijdens een internationale workshop op Sicilië met collega-onderzoekers over de volgende generatie versneller-magneten, niobium-tin magneten met veldsterktes van 15 tot 20 tesla die kunnen worden ingezet bij de opvolger van de LHC.
Toekomst
Niets te vroeg, aldus Ten Kate. 'De research voor de LHC startte in 1984, de financiering werd goedgekeurd in 1994, de LHC is in 2004 operationeel en zal in vijftien, twintig jaar worden afgeschreven. Je kunt dus uitrekenen dat je, als er in 2020 een nieuwe versneller moet staan, het researchprogramma nu al moet opzetten.' Het is voor onderzoekers een vorm van 'je eigen toekomst' maken. 'Als je die CERN-fysici laat zien dat de mogelijkheden niet ophouden bij de magneten voor de LHC, komt de vraag vanzelf.'
Vooralsnog geniet Ten Kate nog eventjes na van het succes. Jammer genoeg kon hij er afgelopen woensdag in Génève niet bij zijn. De twee medewerkers die de magneet tijdens een nachtelijke rit met een gehuurd vrachtwagentje naar CERN hadden gebracht, hielden hem echter per e-mail en telefoon trouw elk uur op de hoogte van de vorderingen van de test. Halverwege de avond kreeg hij een telefoontje dat 11.4 Tesla was gehaald, zonder quench. 'Er is iets verschrikkelijks gebeurd, zeiden ze, hij traint niet!'
