 |
Research and development of novel technologies for particle accelerators
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
124945 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Barna, Dániel |
| Title in Hungarian |
Újfajta technológiák kutatása részecskegyorsítókhoz |
| Title in English |
Research and development of novel technologies for particle accelerators |
| Keywords in Hungarian |
részecskegyorsító, szupravezető, mágnes |
| Keywords in English |
particle accelerator, superconductor, magnet |
| Discipline |
| Particle Physics (Council of Physical Sciences) | 80 % | | Material Science and Technology (physics) (Council of Physical Sciences) | 10 % | | Ortelius classification: Simulation engineering | | Electronic Devices and Technologies (Council of Physical Sciences) | 10 % |
|
| Panel |
Physics 1 |
| Department or equivalent |
High Energy Physics Department (Wigner Research Centre for Physics) |
| Participants |
Horváth, Ákos
Novák, Martin István
|
| Starting date |
2017-09-01 |
| Closing date |
2022-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
16.720 |
| FTE (full time equivalent) |
8.33 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A Future Circular Collider (FCC) Study projekt 2014-ben indult, célja a következő generációs proton illetve elektron ütköztetőgyűrűk terveinek kidolgozása. A proton ütköztető eddig nem tapasztalt luminozitást és ütközési energiát (50+50 TeV) érne el, és a részecskefizika számára eddig elérhetetlen területek tanulmányozását tenné lehetővé. A gyorsító megvalósításához számos kulcsfontosságú komponens esetében új megoldások kidolgozására van szükség. A ki- és becsatoló rendszer szeptum mágnesei nagy (az LHC esetében ~1 T) mágneses teret hoznak létre a kicsatolt, és nulla mágneses teret a keringő nyaláb helyén, egymás közvetlen közelében (~5 cm). Az FCC esetében legalább 2 Tesla, de inkább 3-4 Tesla mágneses térre lenne szükség. Ezt a jelenlegi technológiával igen nehéz lenne megvalósítani. A projektvezető által javasolt új koncepció egy szupravezető mágneses árnyékolás segítségével hozná létre a keringő és a kicsatolt nyaláb pozíciója közötti erős mágneses tér ugrást. Ennek a megoldásnak számos előnye lenne, és reális szupravezető anyagokkal és mágnesekkel megvalósítható. A kutatás célja tisztázni minden olyan kérdést, mely ennek a koncepciónak az adott környezetben való felhasználásával kapcsolatban felmerül; reális tervek kidolgozása; különböző prototípusok megépítése és tesztelése; illetve a koncepció alkalmazhatóságának végső megítélése az alternatív megoldásokkal való összehasonlítás fényében. A kutatócsoport részt vesz további, az FCC-hez kötődő kutatásokban, melyek a gyűrű mágneses terében a nyalábvezeték falára kerülő szupravezető bevonat által okozott torzulásokat hivatottak csökkenteni.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Jóllehet a szupravezetők nagyon hatékony mágneses árnyékolásként való használatára számos példát találunk a szakirodalomban, egy nagyenergiás gyorsítóban egy erős terű szeptum mágnes megvalósítása ezzel a technikával számos kérdést vet fel. Például a sugárzás rövid és hosszú távú hatása a szupravezetőre. Meg kell vizsgálni az árnyékoló örvényáramok lassú csillapodását (flux creep) és ennek a hatását a külső térre, hiszen a szupravezető árnyékolás által kiszorított mágneses térnek stabilnak kell lennie a gyűrűben keringő nyaláb élettartama alatt (kb 10 óra az LHC esetében). A kiterjedt, vastag szupravezető páncélnak stabilnak kell lennie a flux jump instabilitással szemben, ez azonban ömnagában nem elégséges a gyorsító biztonsága szempontjából. Egy megbízható módszert kell találni arra, hogy még az elején detektálhassuk ezt a folyamatot. Meg kell vizsgálni ennek a folyamatnak a dinamikáját és időskáláját és meggyőződni arról, hogy még a folyamat kifejlődése előtt ki lehet csatolni a nyalábot a gyorsítóból. Amennyiben a kicker mágnesek egy hiba folytán rosszkor triggerelnek, a nyaláb áthalad a szupravezető árnyékoláson, súlyosan károsítva azt. Ez a probléma elkerülhető a szupravezető páncélba vágott nyílás segítségével, ennek a konfigurációnak a hatékonyságát azonban tanulmányozni kell.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A Future Circular Collider minden eddiginél nagyobb luminozitása és energiája a részecskefizika eddig felfedezetlen területeit tenné elérhetővé. Az ütközésekben keletkező részecskék igen nagy száma lehetővé tenné a standard modell ritka jelenségeinek megfigyelését és tanulmányozását, növelné a standard modell paramétereinek kísérleti pontosságát, és a standard modell jóslataitól való eltérések érzékenyebb észlelését. Lehetővé válna a Higg-önkölcsönhatás tanulmányozása. Az LHC-hoz képest hétszer nagyobb ütközési energia komoly lehetőséget teremt arra, hogy új fizikai jelenségeket figyeljünk meg. Választ kaphatunk néhány eddig megválaszolatlan kérdésre: Mi a sötét anyag? Mi az oka az anyag és antianyag mennyisége közötti különbségnek az univerzumban? Vannak-e eddig felfedezetlen további részecskék vagy kölcsönhatások?
Ennek a világméretű, jól koordiált projektnek a részeként a kutatócsoport profitálhat a különböző tudományterületek, technológiák, kutatócentrumok és nagyberendezések széles skálájának a szoros együttműködéséből. Az együttműködés keretében a CERN fedezi a prototípusok előállításának költségeit, és a világ vezető szakembereivel való rendszeres konzultációval, az ott összegyűlt tudásanyag átadásával segíti a kutatócsoport munkáját. A kutatócsoport hozzáférést kapott a CERN világszinten is kiemelkedő alacsonyhőmérsékletű mágnes teszt laborjához, és az ott folyó kísérletek fedezésére anyagi támogatásban részesül az Európai Bizottság "FP7 Research Infrastructures" támogatási keretéből. A nagyon erőforrásigényes projekt domináns részére tehát megvan a fedezet külső forrásból. Ez a jelen pályázatban igényelt ráfordítások igen hatékony megtérülését garantálja.
A jelen pályázatban bemutatott kutatás hozzájárulna az FCC megvalósításához, illetve a nagy, kiterjedt szupravezetők viselkedésének jobb megértéséhez erős mágneses terekben. Ezek a tapasztalatok elősegíthetik jobb eszközök kifejlesztését például az orvoslásban vagy a villamosenergia-hálózatok terén. Egy lehetséges példa a nagy szupravezető mágneses passzív árnyékolások alkalmazása az orvosi MRI készülékekben, melyek csökkenthetnék ezen készülékek bonyolultságát és költségeit.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A Large Hadron Collider segítségével végzett kísérletek vezettek 2012-ben a Higgs bozonnak, a részecskefizikai standard modell régóta keresett hiányzó építőkövének a felfedezéséhez. Ez a gyorsító - a közeljövőben történő fejlesztése után - vélhetőleg 2035-ig fog működni. 2014-ben indult a Future Circular Collider Study projekt, melynek feladata a következő generációs, hétszer ekkora nyalábenergiával rendelkező gyorsító tervének kidolgozása, hogy biztosítsa ennek a tudományterületnek a folytonosságát, és megnyissa az utat az eddig elérhetetlen energiatartományok és új jelenségek felfedezése felé. A jelen kutatás célja egy új koncepció kidolgozása az új gyorsító ki- és becsatoló mágnesrendszerének megvalósítására, mely az eddig használt technológiákkal igen nehezen lenne lehetséges. Ebben a koncepcióban egy szupravezető cső hozna létre egy nulla mágneses terű tartományt egy nagyon erős mágneses téren belül. A szupravezető anyagok vélhetően nagyon fontos szerepet fognak játszani a jövőben, így tanulmányozásuk több más terület számára is hasznos lehet. Bár mágneses árnyékolásként való használatuk önmagában nem új, ahhoz, hogy ebben a környezetben, erre a feladatra használhassuk, számos jelenséget kell tanulmányoznunk. Erre nyújt rendkívül kedvező lehetőséget a CERN-nel való együttműködés, mely hozzáférést enged az ott található komoly infrastruktúrához. A kutatás során szerzett tapasztalatok elősegíthetik jobb eszközök kifejlesztését például az orvoslásban vagy a villamosenergia-hálózatok terén. Egy lehetséges példa a nagy szupravezető mágneses passzív árnyékolások alkalmazása az orvosi MRI készülékekben, melyek csökkenthetnék ezen készülékek bonyolultságát és költségeit.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The Future Circular Collider (FCC) Study was launched in 2014 in order to develop designs for the next generation high-energy particle collider for protons and electrons. The challenges of the project require the development of new concepts and technologies for its key components, one of these being the injection/extraction system of the collider. The septum magnets of this system create a high field (~1 Tesla at the LHC) at the extracted beam, and zero field at the circulating beam, in close proximity (~5 cm). For the FCC proton collider a magnetic field of at least 2 Tesla (preferably 3-4 T) is required, which is very difficult to realize with existing technology. A novel concept of using a passive zero-field-cooled superconducting shield inside a custom-designed external magnet was proposed by the PI as an attractive alternative to existing technologies. This solution has many advantages and it was shown that the requirements of this specific application can be met with realistic superconducting materials and excitation coils. The aim of this project is to study all aspects of using this technology for this purpose, propose a realistic design, construct and test different prototypes, compare this concept to its alternatives, and finally evaluate its feasibility for the FCC. The research group is also participating in the studies trying to minimize the distortions of the magnetic field caused by the planned high-temperature superconducting coating of the beam screens.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
While the applicability of superconductors as very efficient shields for high magnetic fields has been demonstrated in the literature, their use for this specific purpose of creating a high-field septum magnet in a high-energy accelerator raises a lot of questions. Short and long term effects of radiation on the superconductor must be studied. The shielded field must be stable over the duration of a fill (about 10 hours for the LHC); the magnitude of the slow relaxation of the shielding currents (flux creep) and its effect on the excluded field must be evaluated. The homogeneity of the excluded field must be measured to validate the simulation results.
Stability of the bulk superconductor against the magneto-thermal runaway process, the flux jump, is absolutely necessary, but not sufficient for the machine's safety. A reliable way must be found to detect a developing flux jump quickly enough. The dynamics and the time scale of this phenomenon must be studied to confirm that it is slow enough for a safe beam abort before it fully develops. In case the kicker magnets fire erratically out of synchrony with the particle-free abort gap, the beam is swept through the septum's blade, leading to a fatal damage of the device. The "massless" septum configuration (which has a slit in the shield) avoids this problem. The field quality around such a shield, and its shielding efficiency is to be studied.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The unprecedented luminosity and energy of the Future Circular Collider (50+50 TeV for the proton machine) would allow to explore new territories of particle physics. The high production rates would allow to observe and measure rare processes of the standard model, improve the precision of the determination of standard model parameters, and increase sensitivity to possible deviations from standard model predictions. The Higgs self-interaction could be studied with precision. The seven-fold increase in center-of-mass energy compared to the LHC would provide a huge discovery potential for new physics. We might get an answer to some of the questions left open so far: What is dark matter? What is the origin of the inequality of matter and antimatter in our universe? Are there supersymmetric particles?
Being part of this coordinated world-scale effort, the project can benefit from the tight collaboration network of a very wide range of different disciplines, technologies, research centres and facilities. CERN has agreed to finance the manufacturing of the prototypes, and to help the group's activity by frequent discussions with the world's leading experts. The research group was granted access to the outstanding SM18 cryogenic magnet test facility of CERN and receives funding to conduct experiments from the European Commission under the FP7 Research Infrastructures project EUCARD-2, grant agreement no. 312453. The dominant part of this very resource-intensive project is therefore covered by external contributions. This ensures a very efficient return rate of the resources requested in this application.
The research would contribute to the realization of the FCC and a better understanding of the behaviour of large bulk superconductors in magnetic fields under very stringent requirements. These experiences could yield more sophisticated devices in medicine, power networks, etc. One example is the possibility of large superconducting magnetic shields around MRI magnets to make them simpler and more affordable.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The Higgs boson - the long awaited missing building element of the standard model of particle physics - was discovered in 2012 at the Large Hadron Collider at CERN. After its upgrade the LHC will reach its end of lifetime presumably around 2035. The Future Circular Collider (FCC) Study was launched in 2014 to develop designs for the next generation collider with about 7 times higher beam energies, in order to ensure the continuity of high energy accelerator science and particle physics, and open the way to previously unexplored territories of particle physics and to the discoveries of new phenomena. The aim of the current research project is to develop a new concept for the realization of the injection and extraction system of the new collider, which would be very difficult with existing technologies. This concept uses a superconducting shield to create a zero-field region within a very strong magnetic field. Superconducting materials will play a very important role in the future. Although the application of superconductors as very efficient magnetic shields is not new, their safe usage in this specific environment requires the very careful study of many phenomena. This is made now possible due to the collaboration with CERN, providing access to their extremely sophisticated infrastructure. The results of this research could also contribute to the development of sophisticated devices in medicine, power networks, etc. One example is the possibility of large superconducting magnetic shields around MRI magnets to make them simpler and more affordable.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Daniel Barna, Martin Novak, Kristof Brunner, Carlo Petrone, Miroslav Atanasov, Jerome Feuvrier, Max Pascal: NbTi/Nb/Cu multilayer shield for the superconducting shield (SuShi) septum, IEEE Transactions in Applied Superconductivity 29 (2019), 4900108, 2019 | | D. Barna, B. Facskó, A. Lechner, E. Renner: Realization of the optimal beam dilution pattern of the FCC-hh ring using beating frequencies., Submitted to Nuclear Instruments and Methods A, 2020 | | Barna D., Novák M.: Two-dimensional conceptual design of a superconducting iron-free opposite field septum magnet, NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH SECTION A-ACCELERATORS SPECTROMETERS DETECTORS AND ASSOCIATED EQUIPMENT 959: 163521, 2020 | | Brennan Goddard, Bruno Balhan, Jan Borburgh, Luigi Esposito, Matthew Alexander Fraser, Louise Jorat, Verena Kain, Christophe Lolliot, Linda Susan Stoel, Pieter van Trappen, Francesco Maria Velotti, Daniel Barna, and Dóra Veres: Reduction of 400 GeV / c slow extraction beam loss with a wire diffuser at the CERN Super Proton Synchrotron, Phys. Rev. Accel. Beams 23, 023501, 2020 | | D. Barna, B. Facskó, A. Lechner, E. Renner: Realization of the optimal beam dilution pattern of the FCC-hh ring using beating frequencies., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Volume 992, 2021, 165048, 2020 | | L. Rossi, A. Ballarino, D. Barna, E. Benedetto, C. Calzolaio, G. Ceruti, E. De Matteis, A. Echeandia, T. Ekelof, S. Farinon, E. Felcini, M. Gehring, G. Kirby, T. Lecrevisse, J. Lucas, S. Mariotto, J. Munilla, R. Musenich, A. Pampaloni, K. Pepitone, D. Perini, D. Popovic, M. Pullia, L. Quettier, S. Sanfilippo, C. Senatore, E. Shabagin, M. Sorbi, M. Statera, D. Tommasini, F. Toral, D. Veres, M. Vieweg: A European collaboration to investigate Supercon- ducting Magnets for Next Generation Heavy Ion Therapy, IEEE Special Issue Submissions, EUCAS2021, 2021 | | D. Veres, T. Vaszary, E. Benedetto, D. Barna: A New Algorithm for Optimizing the Field Quality of Curved CCT Magnets, IEEE Transactions on Applied Superconductivity 32 (2022), 4900914. doi: 10.1109/TASC.2022.3162389, 2022 | | D. Barna, J. Borburgh, M. Atanasov, G. Kirby, G. Giunchi, V. Kárpáti, M. Szűcs, G. Szabó, V. Mertinger: The Superconducting Shield (SuShi) septum magnet prototype, Proceedings of MT27, IEEE Transactions on Applied Superconductivity 32 (2022), 4000505, 2022 | | Martin Novák: Numerical and experimental study of superconducting magnetic shields for the construction of a high field septum magnet, MSC Thesis, Eötvös Loránd University, Budapest, 2018 | | Kristóf Brunner: Improving the slow extraction efficiency of the CERN Super Proton Synchrotron, Diploma thesis, Eötvös Loránd University, Budapest, 2018 | | G. Giunchi, D. Barna, H. Bajas, K. Brunner, A. Német, C. Petrone: Creep and relaxation phenomena in a long MgB2 tube subjected to transversal magnetic field, at 4.2 K, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Volume 28, pp 1-5, 2018 | | B. Goddard, B. Balhan, J. Borburgh, M.A. Fraser, L. Jorat, V. Kain, C. Lolliot, L.S. Stoel, P. van Trappen, F.M. Velotti, D. Barna, V. Nagaslaev: Optimization of diffuser (pre-scatterer) configurations for slow extraction loss reduction at electrostatic septa, 9th International Particle Accelerator Conference, Vancouver, Canada, 2018 | | Daniel Barna, Martin Novak, Kristof Brunner, Carlo Petrone, Miroslav Atanasov, Jerome Feuvrier, Max Pascal: NbTi/Nb/Cu multilayer shield for the superconducting shield (SuShi) septum, IEEE Transactions on Applied Superconductivity (accepted, article id: TAS-2018-0202.R1), 2018 | | D. Barna, G. Giunchi, M. Novák, K. Brunner, A. Német, C. Petrone, M. Atanasov, H. Bajas, J. Feuvrier: An MgB2 superconducting shield prototype for the Future Circular Collider septum magnet, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Early access (DOI: 10.1109/TASC.2019.2920359), 2019 | | D. Barna, M. Novák, K. Brunner, G. Kirby, B. Goddard, J. Borburgh, M. Atanasov. A. Sanz Ull, E. Renner, W. Bartmann, M. Szakaly: Conceptual design of a high-field septum magnet using a superconducting shield and a canted-cosine-theta magnet, Review of Scientific Instruments, 90 (2019) 053302, doi: 10.1063/1.5096020, 2019 | | M. J. Barnes, W. Bartmann, F. Burkart, L. Ducimetière, B. Goddard, T. Kramer, V. Senaj, T. Stadlbauer, D. Woog, D. Barna, L. M. Redondo, A. Kandratsyeu: Future circular collider injection and extraction kicker topologies and solid state generators, Physical Review Accelerators and Beams 22 (2019) 071001, 2019 | | B. Facskó, D. Barna, E. Renner, A. Lechner: Dump Line Layout and Beam Dilution Pattern Optimization of the Future Circular Collider, Proceedings of the 12th International Particle Accelerator Conference, IPAC2021, 2021 | | Dániel Barna, Martin Novák: Two-dimensional conceptual design of a superconducting iron-free opposite field septum magnet, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Vol. 959, 163521, 2020 | | B. Goddard, B. Balhan, J. Borburgh, L. Esposito, M. A. Fraser, L. Jorat, V. Kain, C. Lolliot, L. S. Stoel, P. van Trappen, F. M. Velotti, D. Barna, D. Veres: Reduction of 400 GeV/c slow extraction beam loss with a wire diffuser at the CERN Super Proton Synchrotron, Physical Review Accelerators and Beams 23, 023501, 2020 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
