The Mu2e Project Ron Ray Mu2e Project Manager 12/15/10 R. Ray - - PowerPoint PPT Presentation

The Mu2e Project

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• R. ¡Ray ¡-­‑ ¡Mu2e ¡

Ron Ray Mu2e Project Manager

Science of Mu2e

• R. ¡Ray ¡-­‑ ¡Mu2e ¡

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• Mu2e is designed to search for the conversion
• f a muon to an electron in the field of an

aluminum nucleus

• This would be an example of Charged Lepton

Flavor Violation, which has never been

• bserved.

X ¡

e-­‑ ¡

Coherent ¡recoil ¡of ¡nucleus ¡

µ-­‑ ¡

• Neutrino oscillations, an example of Neutral Lepton Flavor Violation,

is the most important discovery in our field over the past decade.

• Based on the physics that we know about, that includes neutrino
• scillations, Charged Lepton Flavor Violation is effectively forbidden.
• Observation of Charged Lepton Flavor Violation would be a definitive

sign of new physics.

• Most of the models for the new physics that we could discover at the

LHC predict muon conversion at rates that can be observed by Mu2e

• Mu2e is a way of indirectly searching for new physics and for helping

to interpret new discoveries that may be made at the LHC.

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Location

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Solenoids

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4 ¡ 8 ¡GeV ¡P ¡

• Produc,on ¡Solenoid ¡
• 8 ¡GeV ¡P ¡hit ¡target. ¡

Reflect ¡and ¡focus ¡π/ µ’s ¡into ¡muon ¡ transport ¡

• Strong ¡Axial ¡

Gradient ¡Solenoid ¡ Field ¡

• Sign/momentum ¡SelecLon ¡
• NegaLve ¡Axial ¡Gradient ¡in ¡S.S. ¡to ¡suppress ¡

trapped ¡parLcles ¡

• Transport ¡Solenoid ¡
• Graded ¡field ¡to ¡collect ¡conv. ¡e-­‑ ¡
• Uniform ¡field ¡for ¡e-­‑ ¡Spectrometer ¡
• Detector ¡Solenoid ¡

24 ¡meters ¡

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Components Provided by Industry

• Production Solenoid
• Detector Solenoid
• Magnet components for Transport Solenoid
• Cryogenic Distribution
• Cryogenic Feedbox
• HTS Power leads (LHe to Room temperature current transition)
• Superconducting link from magnet to Feedbox
• Cryoplant
• Power Converters and energy extraction Circuits
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Production Solenoid

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 Axially Graded Field: 5 T - 2.5 T  Wide aperture 1.5 m, 4 m long  Large stored energy (~100MJ)  There’s a target in the aperture…

• 25 kW off target, 25-50W into

coils…depending on absorber design

 Heat load and Radiation issues

• n conductor, insulator and

stabilizers.

 Strong Magnetically Coupled

with Iron and TS

• Unlike typical detector solenoids

significant axial forces >100 T. ¡

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Production Solenoid

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• Gradient made by 3 axial coils

with same turn density but increasing # of layers (2,3,4)

• Wound on individual bobbins
• High Current/low inductance
• Efficient energy extraction
• Less layers: simplify winding,

minimize thermal barriers from conductor to cooling channels.

• Operation @ ~10 kA
• Aluminum stabilized NbTi
• reduce weight and nuclear

heating

• Indirect cooling

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Detector Solenoid

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Very large magnet! Two functions:

• Axial Gradient Field for particle collection (2T - 1T)
• Uniformity of axial gradient along axis: 5%
• Uniform field for spectrometer and calorimeter
• Field uniform to 1%
• Like PS, significant Axial Forces between Iron, DS and TS ¡

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Detector Solenoid

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• “Gradient field” and “uniform field” coils wound on separate bobbins
• Place in “single cryostat”
• Use Al stabilized NbTi conductor
• More experience with detector solenoid vendors
• Considerably less weight
• Two layer coils throughout
• Achieve axial gradient by effectively changing winding density by

introducing spacers.

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Transport Solenoid

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• Unusual field requirements
• “S”-shaped to reduce line of sight PS

to DS; momentum selection

• Negative axial gradient in straight

sections to prevent trapped/out of time particles

• Effect of magnetic coupling

between TSn and PS/DS and S shape:

• significant non-axial excitation forces
• complicated stresses during

cooldown

• Removable TS3 to service

collimator and vacuum ¡break ¡

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Transport Solenoid

• R. ¡Ray ¡-­‑ ¡Mu2e ¡

11 ¡

15

0 ¡ ¡

15

0 ¡ ¡

20

0 ¡ ¡

20

0 ¡ ¡

20

0 ¡ ¡

• Conductor ¡in ¡copper ¡channel ¡
• Commercially ¡available ¡
• SecLons ¡welded ¡or ¡bolted ¡

together ¡

• Coils ¡bussed ¡in ¡series ¡

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Cryogenic Distribution

Requirements:

• Interface between Cryoplant and

Superconducting Magnets

• Supply 4.5K LHe for indirect cooling
• f magnets
• 80K gaseous Helium for cryostat

shields

Components:

• Cryogenic Distribution Boxes
• HTS Power Leads
• Superconducting Links from magnet

to Feedbox

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Cryogenic Design

• R. ¡Ray ¡-­‑ ¡Mu2e ¡

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Cryo ¡DistribuLon ¡Box ¡SchemaLc ¡ Magnet ¡Cooling ¡SchemaLc ¡ Model ¡of ¡Cryo ¡DistribuLon ¡ DistribuLon ¡boxes ¡ Cryogenic ¡ link ¡

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Superconducting Links

• Solenoids will be located in underground experimental hall
• Distribution Boxes will be in surface building for easy

access

• Superconducting links are required
• Requirements:
• Approximately 15 m from Distribution box to Solenoids
• Approximately 250 mm diameter
• Low heat leak
• Contains:
• SC bus
• 4.5 K LHe supply and return
• 80 K GHe supply and return
• Magnet instrumentation and voltage taps
• R. ¡Ray ¡-­‑ ¡Mu2e ¡

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HTS Leads

• HTS Leads have been proven to be a reliable cryogenic-

to-room-temperature connection at both low and high currents

• Current requirements range from 500 A to 10 kA
• Upper (non-HTS) portion can be Helium or Nitrogen

cooled

• We are analyzing the current requirements to see if

existing commercial leads in our possession can be adapted for our application

• R. ¡Ray ¡-­‑ ¡Mu2e ¡

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Cryo Plant

• Cold helium is required for
• Indirect Cooling of superconducting Solenoids (4.5K)
• Static heat load from cryostats
• Dynamic Heat load from primary target radiation
• Shielding for cryostat and transfer lines (80K)
• Preliminary estimates for helium refrigeration

requirements are

• ~400 W to 4.2 K
• ~1500 W to 80K
• Requirements are match to Fermilab “satellite

refrigerators” but will require additional cold box with LN2 for 80K shield

• Will do study to look at cost effectiveness of moving,

refurbishing, adapting existing Fermilab refrigerators + 80K cold box vs. “get what you really want” from Industry

• R. ¡Ray ¡-­‑ ¡Mu2e ¡

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Power System

• Several power converters required ranging

from 500 A to 10 kA

• Dump resistors
• Permanently connected to magnets
• Air cooled
• Discharge time matched for all circuits
• Recovery time after fast dump < 5 hours
• Quench detectors
• Redundant voltage taps on every transition and

internal splice

• Grounding circuit
• Controls system
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Schedule

12/15/10 ¡

• R. ¡Ray ¡-­‑ ¡Mu2e ¡

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Received ¡CD-­‑0 ¡ ¡ in ¡Nov. ¡2009 ¡

Conclusion

• Mu2e is an important “Intensity Frontier” experiment for

the Fermilab High Energy Physics Program for the 2010’s.

• Several challenging magnet and cryogenic components

are needed.

• Industrial participation is essential in making this project

a success.

• We look forward to working with you!
• Questions: Please contact us by email:
• Ron Ray – Project Manager – rray@fnal.gov
• Mike Lamm – Solenoid System Manager - Lamm@fnal.gov
• Our website: http://mu2e.fnal.gov/
• R. ¡Ray ¡-­‑ ¡Mu2e ¡

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