Reliability oriented optimum design of the Large Hadron Collider magnet-to-magnet interconnections

¹ CERN, LHC Division, 1211 Geneva 23, Switzerland
² IFMA, Campus des Cézeaux, BP 265, 63175 Aubières Cedex, France

Corresponding author: cedric.garion@cern.ch

Received: 3 September 2002

Abstract

The quest for high particle energies of modern super conducting lepton and hadron storage rings assumes a strong minimisation of the non-magnetic interconnection zones when compared to the total magnetic length of the main quadrupoles and the dipoles. The ratio of non-magnetic to magnetic zones in the LHC is close to 3%. Such a low percentage leads to a very compact design of systems and sub-systems situated in the interconnections, like the mechanical compensation system, composed of the bellows expansion joints, that have to compensate for the thermal contraction of the magnets. Given the complexity of the LHC interconnections, the requirements concerning their reliability were considerably increased since the availability of the collider for physics cannot be compromised. The failure modes taken into account in the present analysis are grouped into 3 categories: material failures, structural stability failures and fatigue failures. Optimisation of stainless steel for cryogenic applications has been carried out. Also, a concept of reliability oriented parametric optimisation of the LHC interconnections is presented.

Résumé

La recherche sur les anneaux supraconducteurs de stockage de leptons et hadrons, pour de hautes énergies de particules, suppose une forte minimisation de la longueur des zones non magnétiques des interconnexions, comparée à la longueur magnétique totale des dipôles et quadripôles principaux. Le rapport des zones non-magnétiques et magnétiques est proche de 3 %. Un pourcentage si faible conduit à une conception très compacte des systèmes et sous-systèmes situés dans les interconnexions, tels que le système de compensation mécanique, composé de soufflets d'expansion, qui doivent compenser les contractions thermiques des aimants. Étant donnée la complexité des interconnexions du LHC, les contraintes concernant leur fiabilité ont été considérablement augmentées puisque la disponibilité du collisionneur pour les expériences ne peut être compromise. Les modes de rupture pris en compte dans cette analyse sont groupés en 3 catégories : rupture du matériau, instabilité structurale et rupture par fatigue. L'optimisation d'un acier inoxydable pour des applications cryogéniques a été réalisée. Un concept de fiabilité orientée vers l'optimisation paramétrique des interconnexions du LHC est également présenté.