OBIETTIVI FORMATIVI

L'insegnamento fornisce le competenze di base per la progettazione di magneti per le macchine acceleratrici e introduce all’uso di strumenti computazionali per la soluzione di problemi che coinvolgono l’applicazione di equazioni differenziali alle derivate parziali in magnetostatica. Particolare enfasi viene data alla progettazione e costruzione di magneti superconduttori grazie anche al supporto esterno di ASG Superconductors

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

Gli studenti apprenderanno i concetti fondamentali per la comprensione del funzionamento dei magneti superconduttori: criogenia, regimi dinamici dei superconduttori, flux pinning, densità di corrente critica, concetti di stabilità adiabatica e criogenica, effetti dissipativi, quench. Apprenderanno quali materiali superconduttori sono usati nelle applicazioni e le loro proprietà. Impareranno a risolvere problemi di magnetostatica complessi anche in presenza di materiali ferromagnetici. Apprenderanno le problematiche della meccanica associata ai magneti superconduttori (contrazioni termiche, forze di Lorentz) e le basi della progettazione.  Saranno introdotti all’uso di strumenti computazionali per la soluzione di problemi multifisica (elettromagnetici, termici e meccanici). Avranno una panoramica delle principali configurazioni magnetiche utilizzate (solenoidi, toroidi, magneti multipolari) ed apprenderanno i concetti ed i metodi per la loro progettazione e realizzazione.

MODALITA' DIDATTICHE

Il corso sarà effettuato tramite lezioni in italiano. Ci saranno inoltre
alcune esercitazioni sull'uso di Codici di calcolo ad Elementi Finiti
e una visita alla ASG Superconductors
 

PROGRAMMA/CONTENUTO

1. Introduzione al corso – Applicazioni dei magneti superconduttori                                                     1h
2. Elementi di criogenia                                                                                                                   5h
   1. Cenni storici
   2. Fluidi criogenici
   3. Termodinamica (ripasso di alcuni concetti)
   4. Trasmissione del calore e carichi termici
   5. Dewar e Criostati
   6. Effetti delle basse temperature sulle proprietà dei materiali
   7. Raffreddamento con liquidi criogenici
   8. Liquefattori e criogeneratori
3. Fili e cavi superconduttori                                                                                                                        8h
   1. Flussoni e regimi dinamici
   2. Corrente critica
   3. Metodi sperimentali per la misura della corrente critica
   4. (metodo volt-amperometrico, metodo induttivo, misure di magnetizzazione)
   5. Flux jump
   6. Superconduttori compositi: fili superconduttori
   7. Materiali (NbTi, A15, MgB2, HTS)
4. Dissipazioni in regime variabile                                                                                                                2h
   1. Modello di stato critico
   2. Perdite isteretiche
   3. Perdite per accoppiamenti inter-filamento
   4. Perdite per accoppiamento inter-strand
5. Magneti superconduttori                                                                                                                          6h
   1. Spettro dei disturbi
   2. Stabilità adiabatica
   3. Stabilità criogenica
   4. Degradazione e training                                                                                                                      
6. Acceleratori e rivelatori di particelle                                                                                                          2h
7. Magneti: alimentazione, regime persistente, quench e protezione                                                               4h
8. Distribuzione di corrente e campi magnetici                                                                                              6h
   1. Solenoidi
   2. Toroidi
   3. Dipoli, quadrupoli e multipoli
   4. Magneti CCT (Canted Cos magnets)
9. Introduzione all’analisi agli elementi finiti                                                                                                   2h
10. Forze di Lorentz e meccanica associata ai magneti                                                                                   8h
    1. Diagrammi di stress e strain
    2. Tensore degli stress e derivazione degli stress principali
    3. Legge di Hooke generalizzata, trattazione per i mezzi isotropi
    4. Criteri di snervamento
    5. Cause di stress nei magneti: contrazioni termiche differenziali e forze di Lorentz
    6. Struttura meccanica nei solenoidi
    7. Struttura meccanica in dipoli e quadrupoli
    8. Il principio del pre-carico
11. Esempi di progettazione di magneti realizzati                                                                                           4h
    1. Il solenoide dell’esperimento CMS al CERN
    2. Il dipolo D2 per High Luminosity LHC
    3. Il prototipo di quadrupolo per SuperB                                                                       

TESTI/BIBLIOGRAFIA

1) M.N. Wilson  Superconducting Magnets Clarendon Press Publication
2) Y.Iwasa Case Studies in Superconducting Magnets  Springer Science & Business Media, 1994
3) E Wilson An introduction to Particle Accelerators Oxford University press
4) J.P.A. Bastos , N Sadowski Electromagnetic Modeling by Finite Element Methods Marcel Dekker Inc