Elektrisk isolerende PVD-belægninger sikrer næste generation af CERN-magneter

Når CERN opgraderer sin partikelaccelerator - Large Hadron Collider - handler det ikke kun om større energi og flere partikelkollisioner. Det handler også om materialer, der kan overleve betingelser, de færreste teknologier er designet til: skift fra ekstrem varme til køling til det absolutte nulpunkt, kraftige magnetfelter og bestråling. Løsningen er en PVD-belægning fra Teknologisk Institut.

I den kommende high-luminosity-opgradering af Large Hadron Collider skal CERN skabe plads til ekstra beam-optik i den 27 kilometer lange tunnel, så det er muligt at få flere partikelkollisioner ind i verdens største fysikeksperiment, der giver ny viden om universets mindste byggesten.

Det kræver blandt andet nye dipolmagneter med magnetfelter på op til 11 Tesla – markant kraftigere end de nuværende 8 Tesla-magneter. Men springet til 11 Tesla betyder et teknologisk skifte.

Udfordringen: isolering under ekstreme betingelser

De nye magneter kræver elektriske isolatorer, som kan klare en proces, hvor materialerne først udsættes for temperaturer over 650 °C og derefter skal fungere ved kryogene temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt (minus 273,15 ⁰C) i flydende helium.

Det stiller voldsomme krav til belægningen på magneterne. Den skal isolere elektrisk, hæfte ekstremt godt og samtidig modstå de mekaniske spændinger, der opstår, når forskellige materialer udvider sig og trækker sig sammen ved store temperaturskift.

- Hvis materialet under belægningen udvider sig eller trækker sig sammen mere end belægningen, så kan den sprække. Og hvis belægningen skaller af, har du ikke længere den isolering, du har brug for, forklarer Bjarke Holl Christensen, sektionsleder og specialist i overfladebelægninger på Teknologisk Institut

For CERN er konsekvensen af fejl alvorlig. En defekt elektrisk isolering kan i værste fald betyde, at en magnet fejler – en dyr og kritisk hændelse i et anlæg, hvor præcision og driftssikkerhed er afgørende.

Specialdesignet PVD-belægning på mikrometerniveau

Teknologisk Institut arbejder sammen med CERN om at udvikle og validere en elektrisk isolerende PVD-belægning til de nye magneter. PVD-teknologien gør det muligt at designe belægningens egenskaber med høj præcision – ikke kun den kemiske sammensætning, men også struktur og funktionalitet.

Det er afgørende, fordi isolatoren skal kunne tilpasses både de elektriske krav og de mekaniske belastninger i magnetdesignet. Samtidig kan PVD-belægningen fremstilles i meget kontrollerede lagtykkelser på mikrometerniveau, hvilket giver CERN den nødvendige tolerancestyring i komponenterne.

Når CERN ringer til os, er det fordi vi evner at sætte os ind i deres problemstilling og udvikle en løsning til den. Vi kan samtidig også producere den løsning, vi udvikler. På den måde får CERN hele processen fra tanke eller en idé til færdigt produkt

- Bjarke Holl Christensen, Teknologisk Institut

Fra CERN til nye anvendelser

Samarbejdet handler ikke kun om én magnetgeneration. Når CERN tester belægningerne under kryogene temperaturer og bestråling, skabes der dokumentation, som kan få værdi langt ud over acceleratorfysik.

Teknologien kan potentielt anvendes i andre avancerede systemer, hvor elektrisk isolering, temperaturstabilitet og mekanisk robusthed er kritisk – fx i fusionsteknologi, kryogene miljøer og andre højtydende magnetapplikationer.

For CERN er værdien klar: en robust overfladeisolator gør det muligt at realisere det magnetdesign, som fremtidens fysikforsøg kræver. For Teknologisk Institut er casen et eksempel på, hvordan avanceret overfladeteknologi skræddersyet til kundens specifikke behov kan løse materialetekniske problemer dér, hvor standardløsninger ikke længere rækker.