Premier test réussi pour le quadripôle d'insertion

Publié par Redbran le 05/04/2021 à 13:00
Source: CEA IRFU

L'équipe de l'Irfu qui a contribué à la réalisation et aux essais du quadripôle à Saclay (crédit: CEA/Irfu).
L'électroaimant supraconducteur quadripôle de grande ouverture (90 mm) pour le projet HL-LHC du Cern qui a été fabriqué et testé à 4,2 K par les équipes de l'Irfu, a atteint le 5 mars 2021 son gradient nominal de 120 T/m (défini pour 1,9 K).

Ces très bons résultats viennent valider la conception et les procédures de fabrication proposées par l'Irfu qui font l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) d'un transfert technologique vers les industriels membres du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...) Européen QuaCo (QUAdrupoleCOrrector). Cet aimant (Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le...) a été réalisé dans le cadre du projet d'upgrade en luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit...) progressive du LHC (HL-LHC) mis en place à de l'horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre...) 2025. Ces aimants en NbTi font partie des aimants d'insertion. Ils doivent être placés en amont et en aval des détecteurs comme Atlas et CMS au centre desquels les 2 faisceaux se croisent pour faire les collisions. Ils permettront d'assurer la compression des faisceaux avant les collisions et ainsi de contribuer à augmenter la luminosité intégrée du HL-LHC (c'est-à-dire le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un...) de collisions), jusqu'à la rendre dix fois supérieure à la valeur nominale initiale du LHC.

Pour répondre au besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est...) du projet HL-LHC, l'Irfu travaille depuis 2014, dans le cadre d'une collaboration avec le CERN, au développement d'un aimant NbTi double ouverture (permettant le passage des deux faisceaux du collisionneur). Cet aimant quadripolaire de 90 mm d'ouverture présente un gradient de fonctionnement de 120 T/m à 1,9 K et une longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) magnétique de 3,67 m. Pour développer cet aimant, le CEA avait la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) de concevoir, fabriquer et tester ce modèle court simple ouverture de 1,2 m de longueur magnétique, appelé MQYYM.


Cartes de densité de flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) magnétique montrant la coupe des quadripôles en simple et en double ouvertures.


Immobilisation des conducteurs pendant le bobinage du premier des 4 Pôles. Image réalisée sur la machine de bobinage du LEAS à Saclay (crédit: CEA/Irfu).

Pour la fabrication de ce modèle court, l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) de la conception mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...), de la mise en plans et du suivi de réalisation des composants des bobines et de l'aimant par des industriels a été réalisé par l'Irfu. A partir de janvier 2017 les bobines prototypes ont été fabriquées au CEA. Les équipes de l'Irfu se sont ensuite déplacées au Cern pour assembler les bobines dans une structure mécanique composée de colliers en acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction...) à l'aide d'une presse verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le...) développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de...) par le Cern. Autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) des bobines frettées formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) l'ouverture, une culasse magnétique est assemblée pour compléter l'aimant.

En janvier 2020 le modèle court est revenu à Saclay pour être testé dans le cryostat vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en...) d'une plateforme de test de l'Irfu. Après plusieurs mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps...) de préparation du test pendant lesquels l'aimant a été suspendu à la platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.) du cryostat, connecté aux amenées de courant et instrumenté, l'aimant a été refroidi à 4,2 K. Une fois l'aimant à la bonne température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...), le courant a été monté dans les bobines pour vérifier que le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) voulu pouvait être atteint. Finalement, après un "training" de seulement deux "quenches" à 4,2 K, l'aimant a atteint le courant de 4550 A qui produit le gradient attendu à 1,9K de 120 T/m sans transiter. Ce test à 4,2 K a révélé les très bonnes performances de l'aimant sachant que ce résultat n'était attendu que lors du test à 1,9 K et que les aimants d'accélérateurs transitent souvent de nombreuse fois avant d'atteindre le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique souhaité.

Lors des essais de l'aimant MQYYM, le MSS analogique (Le concept d'analogique est utilisé par opposition à celui de numérique.) (Magnet Safety Sytem) de la station verticale assurait la détection de quenches et la mise en sécurité de l'aimant, en commandant sa décharge rapide dans une résistance de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :). Depuis 2018, l'Irfu développe un MSS numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) dont l'essentiel des traitements est intégré dans un FPGA (field-programmable gate array), après une numérisation (La numérisation est le procédé permettant la construction d'une représentation...) des signaux de l'aimant. Un prototype a fonctionné pendant toute la durée de ces essais, avec un réglage du seuil de détection plus sensible que la version analogique. Les résultats obtenus sont identiques dans les deux systèmes. Le MSS numérique n'a pas détecté de faux évènement pendant toute la durée des opérations, y compris lors des commutations de l'alimentation de l'aimant. Les signaux de mesures et les détections des 2 quenches sont identiques au MSS analogique, avec les mêmes temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) de mise en sécurité. Ce test concluant valide l'utilisation d'un MSS numérique, avec en redondance un MSS analogique, dans les futures stations d'essais de l'Irfu.


Vue du quadripôle court de simple ouverture en configuration de tests avant son insertion dans le cryostat (crédit: CEA/Irfu).

Dans les prochains mois, l'aimant MQYYM sera démonté de la station actuelle puis remonté sur une toute nouvelle station de l'Irfu appelée STAARQ (Station Test Aimant AccélérateuR Quadripole) conçue pour assurer les montées en champ à la température de 1,9 K et caractériser les performances magnétiques des aimants d'accélérateurs. Ces tests permettront d'atteindre la température finale d'utilisation de l'aimant à 1,9 K pour continuer d'augmenter le gradient. Puis ce sera ensuite au tour des aimants longs, qui arriverons de l'industrie via le projet QuaCo, d'être testés.

Contact Irfu: Damien SIMON
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