Een maand om af te koelen

Behalve de vele Nederlandse onderzoekers die bij CERN betrokken zijn, snoepen er ook minstens twee Nederlandse bedrijven mee van de koek van 1,25 miljard die jaarlijks in Zwitserland verdeeld wordt. HMA Power Systems in Ridderkerk en Schelde Exotech in Vlissingen zijn sinds een jaar met een miljoenenopdracht bezig: de bouw van twee supergeleidende magneten voor de grootste van de twee detectoren van de Large Hadron Collider (LHC), de Atlas-detector (zie ook: Nieuwe pijnbank voor kleine deeltjes). HMA is verantwoordelijk voor het binnenwerk van de magneet, Schelde last daar een aluminium behuizing omheen, zodat de magneet onder vacuüm kan werken.

Wie de maten en gewichten van de constructie op zich laat inwerken, begrijpt dat het hier niet gaat om de magneet voor een fietsdynamo. Eén complete magneet zal 325 ton gaan wegen, het ringvormige gevaarte heeft een diameter van 11 meter en is 5 meter diep. De twee kolossen vormen de begin- en de eindmagneet van de Atlas-detector en omringen de plaats waar de deeltjesbundels de detector binnendringen. Op dit moment bestaan de magneten alleen op papier. Dr. ir. Hans Boschman, manager magneettechologie bij HMA, graait in de stapel bouwtekeningen op zijn bureau. „Er is hier nog weinig concreets te zien, maar toch zijn we al halverwege het project. We hebben juist een deel van het aluminium binnengekregen waaruit de magneet voornamelijk bestaat.”

In het Atlas-project werken meer dan honderd instituten samen. In het werkboek dat het hele project beschrijft, neemt de klus van HMA en Schelde maar vier van de 270 bladzijden in. Toch sputtert Boschman bij de suggestie dat de begin- en de eindmagneet maar een „splintertje van het project” zijn. „Met de bouw ervan is bijna vier jaar gemoeid. In maart 2002 moeten we de eerste afleveren, in september de tweede. Zo'n groot magneetsysteem hebben we nog nooit gemaakt.”

Supergeleiding
Flinterdun is wel het draadje waar de goede werking van de magneet van afhangt, slechts 0,01 millimeter dik. De draad is gemaakt van een legering van de metalen niobium en titaan. De combinatie van deze metalen heeft bij heel lage temperaturen vrijwel geen weerstand meer en maakt dus zonder spanningsverschil zeer hoge stroomsterktes mogelijk. Dat proces heet supergeleiding. Door de draad in een spoel te wikkelen en er een stroom doorheen te sturen, is het mogelijk om extreem sterke magnetische velden te maken. Dat komt van pas bij detectoren als de Atlas: dankzij een stroomsterkte van 20 kiloampère ontstaat een magnetisch veld van ruim 4 tesla, 20.000 maal zo sterk als het aardmagnetisch veld.

Een bundel van de niobium-titaanvezels zit gevat in een koperen draad met een diameter van 1 millimeter. Een reeks van enkele tientallen draden naast elkaar vormt de kabel waarmee HMA de spoelen van de magneet gaat bouwen. „Om deze draden te beschermen tegen bewegingen zit er een dikke aluminium behuizing omheen. Die zorgt er ook voor dat het geheel z'n lage temperatuur goed vasthoudt als er per ongeluk toch plaatselijk warmte ontstaat.”

De complete geleider heeft ongeveer de afmetingen van een reep chocolade, maar dan erg lang. „Op elk van deze haspels zit 1600 meter geleider”, zegt Boschman. In een afgeschermd deel van de fabriekshal –„We moeten ontzettend schoon werken”– staan vier haspels gereed, te wachten op de wikkelmachine die direct na de kerstdagen afgeleverd wordt. Ernaast liggen dikke 'broodjes' aluminium van 3 meter lang en 0,5 meter breed.

Dat de magneet grotendeels uit aluminium bestaat en niet uit andere metalen zoals lood, heeft z'n reden. „Die deeltjesfysici zijn vreemde mensen: ze willen wel een sterk magneetveld, maar ze willen geen magneet, omdat de materialen van de magneet hun metingen verstoren. Aluminium blijkt het meest 'transparant' voor de deeltjes die ze bestuderen.”

Donut
„De meeste tijd gaat zitten in het wikkelen”, verwacht Boschman, terwijl hij leunt op een soort kanonsloop, een stuk zelfgebouwd gereedschap dat straks van pas komt. „Dit is bepaald geen standaardklus, het is grotendeels handwerk.” De reep met de supergeleidende draad komt terecht in een grote aluminium cassette met een afmeting van 4 bij 4,5 meter. Zo ontstaat een van de acht spoelen die elke magneet telt. Voor elke spoel is 1600 meter aan wikkelingen nodig. De stroom loopt langs de rand van de cassettes; het magnetisch veld staat haaks daarop.

De spoelen staan op een centrale cilinder als de spaken van een wiel; holle, wigvormige aluminium blokken vullen de vakken tussen de spoelen op om stevigheid te geven aan de donutvormige magneet. Deze magneetvorm, een zogenaamde toroïde, maakt een ringvormig magnetisch veld. Het voordeel daarvan is dat het veld geconcentreerd is in de ring, daarbuiten is er weinig van te merken. Naar verluidt was in het oorspronkelijke Atlas-ontwerp sprake van een langwerpige magneet, een solenoïde, maar die zou zo'n sterk strooiveld produceren dat zelfs vliegtuigen boven Genève er last van zouden hebben.

Maand koelen
Warmte is de grote vijand van magneten als deze. De legering van niobium en titaan wordt supergeleidend zodra de temperatuur daalt beneden –269 graden Celsius, 4,5 graden boven het absolute nulpunt (4,5 Kelvin). Dat lukt door een koelcircuit langs de spoelcassettes aan te leggen waardoor vloeibaar helium stroomt met een temperatuur van 4,2 Kelvin.

„De magneet moet dus heel goed geïsoleerd zijn. Dat lukt door hem in z'n geheel in een vat te plaatsen met een zeer hoog vacuüm. Dat is een lastige klus. Als het warmtelek groter is dan het koelend vermogen, halen we het niet. Aan koelen tot 10 Kelvin hebben we niets,” zegt de magneetdeskundige. Het Vlissingse bedrijf Schelde Exotech is al begonnen met het lassen van de vaten. Dat gebeurt uit platen aluminium die tot 7,5 centimeter dik zijn.

Schip
Door het sterke magnetisch veld komen er flinke krachten op de constructie te staan. „De boel mag niet gaan bewegen of scheuren, want dan ontstaat er warmte. Daarom impregneren we de hele magneet van tevoren in een soort hars. Daarna monteren we de magneet, tot we twee delen overhouden van zo'n 5 meter hoog. Het heeft geen zin de hele magneet te voltooien in Ridderkerk, want we kunnen hem niet transporteren.” Het Ridderkerkse bedrijf ligt aan het water, dus de halve magneten kunnen per schip de Rijn op tot Straatsburg. Vandaar zal een speciale truck ze naar Genève brengen. „Tenminste, als de Franse overheid intussen niet allerlei tunnels en viaducten bouwt.”

Ook het monteren van de magneten in Genève is een waagstuk. „De planning van de bouw van de Atlas-detector is heel strak. We mogen niet te vroeg beginnen en het mag ook niet uitlopen. Er is een aantal vierkante meters gereserveerd voor onze bouwploeg; na ons moet een ander daar weer aan de slag.”

Vooraf testen of de magneet ook werkt, is er dus niet bij. „Als alles gemonteerd is en het werkt niet –bijvoorbeeld omdat het vacuüm niet goed genoeg is– hebben we een probleem. Het is een enorme klus om zo'n magneet er weer uit te halen. En alleen al het afkoelen tot 4,5 Kelvin duurt weer een maand.”