Til hovedinnhold
FotoessayLarge Magnet Facility

Slik lages superledende magneter

De skal lede store mengder strøm, holde 271 kuldegrader og bli smått radioaktive.

Jørgen Elton Nilsen, Hardware.no

Introduksjon

Hardware.no/Genève: Dypt under bakken i Genève, på grensen mellom Frankrike og Sveits, suser protoner – en av universets mindre byggesteiner – rundt i en lang sirkel med tilnærmet lysets hastighet. De er en del av det gigantiske eksperimentet Large Hadron Collider, som har som oppgave å løse noen av universets største mysterier.

ATLAS er en av de imponerende store detektorene der protonstrålene føres sammen til en frontkollisjon. Den er 46 meter lang og 25 meter høy, og måler på det meste 1000 millioner partikkelkollisjoner hvert eneste sekund. Foto: Varg Aamo, Hardware.no

På fire punkter langs den totalt 27 kilometer lange og sirkulære maskinen finner vi gigantiske eksperimenter på flere tusen tonn. De er kanskje de mest imponerende skuene ved LHC, men de mindre delene av det hele har en minst like viktig oppgave. For på ett eller annet vis må jo protonene oppnå tilnærmet lysets hastighet, samle opp en betydelig mengde energi og holdes på stø kurs langs den lange banen, før de møtes i en heftig frontkollisjon.

Protonene som skal kollideres blir nemlig ikke sendt ut på en tilfeldig kurs. De skal ta 11 254 runder i den 27 kilometer lange akseleratoren hvert eneste sekund, og det er viktig at de holdes i en helt perfekt bane. For å få til dét trengs magneter, men det er ikke akkurat vanlige husholdningsmagneter som tas i bruk. Cern har bygget over 1200 dipolmagneter, og nesten 400 kvadrupolmagneter – og alle er av den superledende typen.

En superledende magnet er bygget opp av superledere, altså «strømkabler» som har tilnærmet null elektrisk motstand. Disse er kjølt ned til -271 grader celcius ved hjelp av flytende helium, eller 1,9 kelvin, holdes under konstant vakum – og for å toppe det hele blir de smått radioaktive under bruk. Resultatet er en magnet med en styrke på 8 tesla, noe som er betydelig mer enn hva en varm magnet kan skilte med.

I disse magnetene blir protonene holdt på stø kurs, samtidig som energinivået økes. I LHC holder hver proton-stråle et energinivå på 0,45 Tev før de kommer inn i den 27 km lange ringen, der de suser rundt i omtrent en halvtime, får en elektrisk puls ved hver runde, noe som til slutt øker energinivået til 7 TeV. Energinivået det er snakk om her er vanskelig å se for seg, men hvert proton har en energi på nivå med en bil som kjører i 1600 km/t. Alternativt kan du prøve å se for deg at en vanlig mygg i fart har et energinivå på 1 TeV, men et proton som tas i bruk her er omtrent én billion ganger mindre.

Hver enkelt magnet som er i stand til å takle denne jobben er et lite imponerende stykke ingeniørkunst, og vi besøkte fabrikken der de lages.

I et hjørne av CERNs enorme Meyrin-anlegg, på fransk side, finner vi en av forskningsinstituttets største haller. Det enorme grå bygget er omtrent dobbelt så stort som det du ser her, og huser én av tre fabrikker for LHCs superledende magneter. Da vi var på besøk ble bare halve hallen brukt til produksjon av superledende magneter; resten var okupert av testutstyr fra den enorme ATLAS-detektoren. ATLAS ligger normalt 100 meter under bakken, men er for tiden under oppgradering. Foto: Jørgen Elton Nilsen, Hardware.no
CERN er et høyst internasjonalt prosjekt, og de 20 medlemslandene har mulighet til å få mye igjen for sine bidrag. I tillegg til selve forskningsresultatene går mye av budsjettet tilbake til industrien i landene, ved at de får produsere mye av utstyret CERN trenger. Da LHC først ble bygget var det tre fabrikker rundt om i verden som fikk dele på produksjonen av magnetene til LHC-ringen. Foto: Jørgen Elton Nilsen, Hardware.no
Mens to av fabrikkene ligger i andre medlemsland, ligger den minste av de tre hos CERN. Siden LHC trengte hele 1600 magneter, som hver er 50 meter lang, var det fysisk umulig å lage alle på ett sted – noe som også er en del av grunnen til at CERN ikke produserer alt selv. Det ville rett og slett krevd enormt mye plass. Foto: Varg Aamo, Hardware.no
Den store hallen huser flere «små» haller innenfor sine egne vegger. Dette bildet viser en av disse småhallene, der produksjonen av magnetene starter. Det tar ikke lang tid før produktene det jobbes med veier flere hundre kilo, så kranen i taket kommer godt med. . Foto: Jørgen Elton Nilsen, Hardware.no
Meget kort fortalt skaper magnetene et magnetfelt ved at en strøm sendes gjennom en spole – og en spole er i bunn og grunn bare en elektrisk leder som er spunnet i sirkel. Skulle CERN laget lederne til magnetene sine ved hjelp av tradisjonelle kabler, måtte de brukt den store klumpen av aluminiumsledere til høyre som takler 25 kV. Det ville gjort magnetene alt for store, og ikke spesielt effektive. Cern tar derfor i bruk en superleder som du ser til høyre – en liten leder som kan lede like mye strøm som den store klasen til venstre. At superledere tas i bruk, er grunnen til at magnetene heter superledende magneter. Foto: Varg Aamo, Hardware.no
Superlederen er laget av Niob-titan, det vanligste materialet man lager superledere av når de skal brukes i magneter. Selve kabelen består av en rekke niob-titan-fibre som er flettet sammen med aluminium og kobber. Superlederen blir produsert av en annen leverandør som leverer den til CERN på enorme spoler. Når produksjonen spoler blir kabellen først spunnet opp på en rekke store hjul. Foto: Varg Aamo, Hardware.no

Bli med over til neste side, så ser vi hvordan dette former seg til en stor magnet »

Superlederen formes

Totalt trengs det 1200 tonn med denne superlederen i LHC, og det første produksjonssteget for å lage en superledende magnet er å isolere superlederen. De skal nemlig legges tett i tett, og kan ikke komme i kontakt med hverandre. For å gjøre det vil en maskin spinne en 0,025 millimeter tynn plastfolie skrått rundt lederen, tre ganger. Hvert lag legges hver sin vei, og det er et gap på 1 millimeter mellom hver runde. Dette gapet legges inn slik at flytende helium senere har muligheten til å flyte inn og komme i direkte kontakt med lederen, for å kjøle magneten bedre. Foto: Varg Aamo, Hardware.no
Med selve superleder-tråden ferdig, blir den så spunnet frem og tilbake på en 50 meter lang maskin. Lederen blir lagt tett i tett og former til slutt en halvsirkel. Dette er én halvdel av konstruksjonen som skal kranse rundt det røret som protonene flyr gjennom, inne i LHC-ringen. Selve lederen er laget slik at den er litt tynnere på den ene langsiden, slik at sirkelen blir helt tett.Foto: Jørgen Elton Nilsen, Hardware.no
Hver magnet er femti meter lang, men selve superlederen går sammenhengende rundt 70 ganger frem og tilbake langs denne lengden for hver halvdel. I enden må lederne da brettes rundt og over til den andre siden av halvsirkelen, noe som er en møysommelig prosess. For å støtte partiet der lederen snur, blir den pakket inn i en spesiell plaststøp.Foto: Varg Aamo, Hardware.no
Med selve superlederkonstruksjonen ferdig laget, må den testes. Første stasjon er denne maskinen, som er litt over 100 meter lang. Her mates den inn for fysisk trykktesting. Med jevne mellomrom går et kraftig stempel ned og sjekker stivheten til lederen. Blir den godkjent går man videre til neste steg, men om avvik oppdages blir den plukket frahverandre før arbeiderne begynner på nytt. Foto: Varg Aamo, Hardware.no
Når superlederen er ferdig konstruert, er det på tide å montere den der den hører hjemme. Rørene du ser i dette bildet er vakuum-rørene der protoner senere vil fly med tilnærmet lysets hastighet, og det hvite rundt er superlederen. Røret holdes under vakuum slik at protonstrålene – som kan inneholde så mange som 100 milliarder partikler – ikke skal kunne kollidere med andre partikler man ikke ønsker å ha der. Foto: Varg Aamo, Hardware.no
Protonrøret og superlederne blir så pakket inn i et solid skall av stålplater. Hver plate er omtrent 0,5 centimeter tykk, og tres på til de står tett i tett langs nesten hele det 50 meter lange røret. På dette punktet i produksjonsprosessen blir platene holdt sammen av midlertidige bolter. Foto: Varg Aamo/Hardware.no
Alt hos CERN er stort og massivt, og selv ikke den stålkransen som nå er lagt på protonrørene er nok. Enda en serie av stålplater tres på konstruksjonen, men denne gangen motsatt vei. Hulrommet du ser her vil romme den ene halvdelen av konstruksjonen du så på forrige bilde. Grunnen til at man trenger så mye stål rundt protonrøret, er rett og slett fordi det under drift vil være noen helt enorme krefter i sving. Uten denne solide innpakningen ville både røret og superlederen blitt knust med en gang. Foto: Jørgen Elton Nilsen, Hardware.no

Bli med over til neste side, så ser vi hvordan dette former seg til en stor magnet »

Magneten pakkes inn

Med et hav av stål, kobber og titan på plass veier magneten allerede over tonnet. En stor overhengende kran med en løftekraft på 15 tonn har frem til nå flyttet rundt på magneten, men dette er faktisk den minste kranen de har på fabrikken. Nå som det første leddet av produksjonen er over, må en langt større kran tas i bruk for å løfte rørene ut av den ene, lille produksjonshallen, og ut i den store. Foto: Jørgen Elton Nilsen, Hardware.no
Den lille produksjonshallen der superlederen har blitt satt sammen, og dekket av en kappe med stål, ser du i bakgrunnen. Vel utenfor denne lille hallen blir hele konstruksjonen lagt på den store blå maskinen du ser i midten bildet. Der blir de midlertidige boltene mellom stålplatene fjernet, og erstattet med én lang stålpinne som holder stålplatene sammen. Det hele går da inn i den store blå maskinen, som presser stålplatene sammen med et enormt trykk – hele 1600 tonn. Her får samtidig røret en ørliten krumming, som gjør det mulig å danne en sirkel når magnetene monteres i LHC.Foto: Jørgen Elton Nilsen, Hardware.no
Protonrøret og superlederen er selve hovedkonstruksjonen til de superledende magnetene CERN lager, men en ferdig magnet er langt større enn det vi har sett til nå. En rekke støttesystemer må på plass, og det hele pakkes inn i et lengre stålrør. Selve protonrøret ser du som de to åpningene i midten på dette bildet, og de store rørene rundt frakter både elektriske ledere, datasignaler og flytende helium. CERN er forøvrig glad i å kalle en spade for en spade – navnet på produksjonshallen til de superledende magnetene er rett og slett «Large Magnet Facility» – eller bare LMF. Foto: Varg Aamo, Hardware.no
Selve stålrøret som kranser seg rundt og beskytter konstruksjonen kommer i to deler som utgjør hver sin halvdel av sirkelen. For å sveise disse sammen drar ikke CERN bare frem et vanlig sveiseaparat – de har en enorm maskin tilgjengelig. Her kjøres magnetene inn, før de to rørdelene klemmes sammen med et trykk på 200 tonn per meter. Så går en sveiserobot fire ganger frem og tilbake på hver side, for å lukke skjøten. 200 tonn er imidlertid bare småtterier sammenlignet med kapasiteten til denne maskinen, som om ønskelig kan trykke med hele 1200 tonn. Foto: Varg Aamo, Hardware.no
Med selve konstruksjonsjobben ferdig, er det på tide å teste rørene. Alle åpninger blir her plugget igjen, eller koblet sammen fra hver ende. Ingeniører vil så kalibere og teste alt utstyret, for å se at konstruksjonsjobben er gjort slik den skal gjøres. Den gule stolpen du ser i bakgrunn huser et prisme på toppen. En laser montert i enden av rommet vil ved hjelp av denne og flere andre prismer scanne magneten, for å kontrollere at dimensjonene er korrekte. Foto: Varg Aamo, Hardware.no
Med testing og kalibrering unnagjort, flyttes hele konstruksjonen til en egen stasjon for lekasjetesting. Her blir magneten fylt med en spesiell gass, og plassert i et lufttett trykkammer. Om det så blir oppdaget spor av denne gassen i det lufttette kammeret, vet man at magneten lekker. Den blir da tatt ut av produksjonslinja for nærmere inspeksjon, og vi blir fortalt at det gjerne kan ta uker å finne årsaken. Foto: Varg Aamo, Hardware.no

Bli med over til neste side, for å se hvordan man skjøter sammen disse beistene »

Den viktige skjøten

Med alle testene unnagjort, blir de midlertidlige pluggene fjernet. Hver magnet er 50 meter lang, og samlet sett skal rundt 1600 av dem skrus sammen i LHC-ringen, 100 – 150 meter under bakken. Det er trangt der nede, så mye av arbeidet med å klargjøre alle kablene og rørene som skal skjøtes, skjer over bakkenivå. Foto: Varg Aamo, Hardware.no
Selve superlederen rundt protonrøret må også skjøtes med superlederen den blir plassert ved siden av under bakken. Fra hver ende av protonrøret stikker det derfor ut fire ender av disse superlederne, sammen med et par andre små kabler. Måten disse skjøtes på, er uhyre viktig.Foto: Jørgen Elton Nilsen, Hardware.no
Selve skjøtingen av superlederne skjer ved at de klemmes og sveises sammen i et kobberhus, og her er det viktig å være nøye. Det var nemlig i disse skjøtene det gikk alvorlig galt i 2009, da LHC kort tid etter første oppstart var nede for telling i hele 14 måneder etter en ulykke. Etter mye etterforskning viste deg seg at denne skjøten var synderen. For når man skjøter elektriske ledere, får man en viss motstand. CERN krever at det ikke er snakk om mer enn tre nanoohm i denne skjøten, noe som er uhyre lite. Måler man syv nanoohm blir den avvist, og man begynner på nytt.Foto: Varg Aamo, Hardware.no
Om man hadde latt en 7 nanohoms-sjøt passere kunne 2009-ulykken raskt gjentatt seg. Med slik motstand skapes det varme, noe som øker temperaturen i lederen. Normalt skal den holde bare 1,9 kelvin, men når superlederen 9,2 kelvin går den på brøkdelen av et sekund fra å være en superleder til en helt vanlig leder. Dette kalles en «quench» og er katastrofalt fordi hele lederen blir en gigantisk varmeovn. I 2009 tok det bare millisekunder før temperaturen i superlederen ble så høy at den rett og slett smeltet, noe som skadet 50 av de 50 meter lange magnetene.Foto: Varg Aamo, Hardware.no
Her ser du hvordan hele skjøten der to superledende magneter møtes, ser ut. Mellomrommet er nesten en meter, og her blir alle rør og kabler sveiset og koblet sammen, før det hele pakkes inn. Rørskjøtene er elastiske, fordi når røret tas i bruk blir det fyllt med flytende helium. Over seks måneder tas temperaturen fra romtemperatur og ned til 1,9 kelvin, noe som får hver 50 meter lange magnet til å trekke seg sammen med 45 millimeter – noe de fleksible rørene tar høyde for. Foto: Varg Aamo, Hardware.no
En ferdig superledende magnet tres så inn i et større, blått rør - som du sikkert har sett på bilder fra CERN tidligere. De blå rørene har også store fester på seg, som gjør det mulig å bolte dem til gulvet. Endestykkene beskyttetes så med en stor plasthette, som dekker over det røde festet som beskytter protonrørene.Foto: Jørgen Elton Nilsen, Hardware.no

De blå rørene er imidlertid ikke den eneste superledende magneten CERN tar i bruk, bla om for å se den andre typen på neste side »

Magneten som frontkolliderer protoner

Etter endt produksjon blir de 50 meter lange magnetene fraktet til et eget anlegg hos CERN, som gjør den siste kvalitetssjekken. Her blir også magnetens egenskaper målt med uhyre nøyaktig preisjon, målinger som avgjør hvor i LHC magneten skal plasseres. En magnet som presterer litt under målet blir da satt sammen med andre magneter som retter opp i dette, et veldig nøyaktig og viktig logistikkprogram CERN bruker for å ha full kontroll på alle egenskapene i LHC. Foto: Jørgen Elton Nilsen, Hardware.no
De blå magnetene vi har snakket om hittil har to poler, og kalles dipoler. Det er 1232 av disse som frakter protonene adskilt hver sin vei gjennom nesten hele den 27 kilometer lange tunnelen. Men når man skal få protonene til å kollidere, trenger man en annen type magnet som presist fører de to protonstrålene sammen. Disse har fire poler og kalles derfor kvadrupolmagneter; og LHC huser 392 av dem. Kvadrupolene er laget i samarbeid mellom amerikanske Fermilab og japanske KEK. Fermilab er for øvrig stedet som frem til 2011 huset Tevatron – en annen massiv partikkelakselerator. Foto: Jørgen Elton Nilsen, Hardware.no
I de røde superledende magnetene til Fermilab blir de to protonrørene fra de blå magnetene ført sammen i étt rør, som du ser som et åpent hull i midten av bildet. En serie med disse magnetene står på hver sin side av et kollisjonspunkt, og styrer nøye de to protonstrålene mot en frontkollisjon. Foto: Jørgen Elton Nilsen, Hardware.no
Når magnetene er ferdige veier de snaut 30 tonn. Nøyaktig hva de koster vet vi ikke med sikkerhet, men en forsker kunne fortelle oss at det minst var snakk om en million Euro i materialer og arbeidstid. Det er med andre ord snakk om dyre enheter, og når de skal fraktes til sitt endelige hvilkested 100 – 150 meter under bakken, er det viktig å være nøye. De blir løftet ned i tunnelen, og fraktet på disse trallene til den forhåndsbestemte posisjonen. Fra magnetene blir senket under bakken kan det ta opptil én dag å kjøre de frem til sin endelige posisjon. Foto: Jørgen Elton Nilsen
Superledende magneter, og alt annet CERN driver med, krever uante mengder strøm. Rundt om på forskningsbasen fant vi en serie med egne transformatorstasjoner, som tar inn strøm fra både Frankrike og Sveits. Bildet viser en av stasjonene som ligger like ved LHCs kontrollsenter. Foto: Jørgen Elton Nilsen, Hardware.no

De superledende magnetene brukes i en enorm maskin:
Dette er en av menneskets mest imponerende maskiner »

Mer om
annonse