Study and optimization of magnetic configurations of high-field superconducting magnetic dipoles and developement of technologies for Rutherford Nb3Sn-NbTi cable joints

This thesis presents a comprehensive study on the design and fabrication of superconducting components for high-field accelerator magnets. The first part focuses on the electromagnetic optimization of a 14 T hybrid Nb3Sn-NbTi cos-theta dipole within the CERN High Field Magnet (HFM) program. Using the ROXIE simulation software, different magnet layouts were analyzed to balance field strength, field quality, operational margins and quench protection. The three optimized hybrid configurations demonstrate that a graded combination of Nb3Sn (inner layers) and NbTi (outer layers) can achieve 14 T operational field with 20% load-line margin with the corresponding trade-offs. The second part concerns the development of mixed Nb3Sn-NbTi soldered splices for the FALCON-D project. A dedicated tooling setup was designed, built, and validated to ensure uniform pressure and temperature during soldering, allowing safe handling of reacted Nb3Sn cables. Experimental tests confirmed the feasibility and repeatability of the process, highlighting the further improvements to ease assembly and refine the splice quality.

Questa tesi presenta uno studio completo sulla progettazione e la fabbricazione di componenti superconduttori per magneti di acceleratori ad alto campo. La prima parte si concentra sull'ottimizzazione elettromagnetica di un dipolo cos-theta ibrido Nb3Sn-NbTi da 14 T nell'ambito del programma High Field Magnet (HFM) del CERN. Utilizzando il software di simulazione ROXIE, sono state analizzate diverse configurazioni magnetiche per bilanciare l'intensità del campo, la qualità del campo, i margini operativi e la protezione dai quench. Le tre configurazioni ibride ottimizzate dimostrano che una combinazione di Nb3Sn (strati interni) e NbTi (strati esterni) può raggiungere un campo operativo di 14 T con un margine del 20% lungo la "load-line", con i relativi compromessi. La seconda parte riguarda lo sviluppo di giunzioni brasate miste Nb3Sn-NbTi per il progetto FALCON-D. È stato progettato, costruito e validato un utensile dedicato per garantire pressione e temperatura uniformi durante la brasatura, consentendo una manipolazione sicura dei cavi Nb3Sn reagiti. I test sperimentali hanno confermato la fattibilità e la ripetibilità del processo, evidenziando ulteriori miglioramenti per facilitare l'assemblaggio e perfezionare la qualità della giunzione.