Study of optimized HTS solenoid configurations for the beam cooling of a Muon Collider

The extraordinary ability of superconductors to transport vast amounts of electric current without any resistance is exploited, among other applications, in the design and construction of magnets for high-energy physics. Over the years, no other branch of science has grown to be more dependant upon superconductivity than this field. Physicists seek for magnets which provide increasingly higher and higher fields, to accelerate more, and more tightly, bunches of particles with the hope of unraveling the intricate mysteries of the Universe. This is also the scope of the Muon Collider, one of the possible candidates for the next generation of particle accelerators. This collider, differently from any other machines ever built, will accelerate unstable particles, muons. Muons share the same properties as electrons, except they are 200 times heavier and they decay into an electron and two neutrinos in 2.2 microseconds . This peculiar behaviour makes the Muon Collider design a challenge and potentially poses an even greater obstacle to its practical implementation. This is particularly true for the subject of this thesis work, the solenoids of the 6D Cooling stage of the Muon Collider. There are 12 different stages and 18 different types of solenoids, for a total number of 2954 magnets. The objective of the first half of this work was to characterize each stage and solenoid in terms of their magnetic and mechanical properties. To achieve this goal, various tools were employed, from analytical instruments to FEM simulations. This analysis assumes particular significance as it provides a comprehensive estimation of the characteristics of all the magnets involved, thereby serving as a valuable tool for evaluating the challenges that lie ahead in the future. The second part of the thesis focuses on the analysis of the quench protection aspect. For this purpose, a 1D FEM model of a quench event has been implemented in Comsol Multiphysics. The model provided an understanding of both the behaviour of a solenoid when subjected to a quench, and the underlying quench phenomenon itself. This allowed for a deeper analysis and improved knowledge of the dynamics and characteristics associated with both aspects.

La straordinaria capacità dei superconduttori di trasportare grandi quantità di corrente elettrica senza alcuna resistenza viene sfruttata, tra le altre applicazioni, nella progettazione e costruzione di magneti per la fisica delle alte energie. Nel corso degli anni, nessun'altra branca della scienza è diventata più dipendente dalla superconduttività di questo campo. I fisici sono alla ricerca di magneti che forniscano campi sempre più elevati, per accelerare più velocemente pacchetti di particelle sempre più densi, con la speranza di svelare gli intricati misteri dell'Universo. Questo è anche lo scopo del Muon Collider, uno dei possibili candidati per la prossima generazione di acceleratori di particelle. Questo collisore, a differenza di qualsiasi altra macchina mai costruita, accelererà particelle instabili, i muoni. I muoni hanno le stesse proprietà degli elettroni, ma sono 200 volte più pesanti e decadono in un elettrone e due neutrini in 2.2 microsecondi. Questo comportamento peculiare rende il progetto del collisore di muoni una sfida e, potenzialmente, pone un ostacolo ancora maggiore alla sua realizzazione pratica. Ciò è particolarmente vero per l'oggetto di questo lavoro di tesi, i solenoidi della sezione denominata 6D Cooling. Questa è composta da 12 diversi stadi e 18 diversi tipi di solenoidi, per un numero totale di 2954 magneti. L'obiettivo di questo lavoro è stato quello di caratterizzare ogni stadio e solenoide in termini delle loro proprietà magnetiche e meccaniche. Per raggiungere questo obiettivo sono stati utilizzati diversi strumenti, dalle formule analitiche alle simulazioni FEM. Questa analisi assume un significato particolare in quanto fornisce una stima completa delle caratteristiche di tutti i magneti coinvolti, fungendo così da strumento prezioso per valutare le sfide che attendono in futuro. La seconda parte della tesi si concentra sull'aspetto della protezione dal quench. A tale scopo, è stato implementato in Comsol Multiphysics un modello FEM 1D di un evento di quench. Il modello ha permesso di comprendere sia il comportamento di un solenoide quando è sottoposto a un quench, sia il fenomeno del quench stesso. Ciò ha consentito un'analisi più approfondita e una migliore conoscenza delle dinamiche e delle caratteristiche associate a entrambi gli aspetti.