Le MSS de T2K protège les aimants supraconducteurs de la ligne de faisceau

Depuis le 23 Avril 2009, le MSS (Magnet Safety System) est opérationnel au J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex, Tokaï, Japon).

  

Le MSS, conçu et réalisé par l'Irfu / SIS, protège 28 aimants supraconducteurs à fonctions combinées (dipôles et quadripôles). Ces aimants, parcourus par un courant de 4400 A, courbent un faisceau de protons selon un arc de 90 degrés, dans un tunnel de 150 m de long. Les protons sont destinés à produire des neutrinos envoyés vers le détecteur Super-Kamiokande, à 295 km à l'ouest de Tokai, en passant sous la surface de la terre.

  

En plus de ces 28 aimants, le MSS protège également 6 aimants de correction supraconducteurs (courant maximum = +/- 50 A).

  

Lorsque le MSS détecte une transition des aimants (un quench) ou un défaut sur leur circuit électrique, il commande la diminution du courant et la décharge de l'énergie stockée dans les bobines. Il empêche aussi les protons d'entrer dans la ligne de faisceau de T2K, dans un délai de 10 millisecondes.

 

Figure 1 : Les 2 baies électroniques du MSS

 

 

Les aimants supraconducteurs

La ligne de faisceau primaire de protons de T2K comporte 28 aimants supraconducteurs à fonctions combinées, conçus par le KEK et situés dans 14 cryostats.

L'arc d'aimants comporte également 6 aimants de correction, conçus par le BNL (Brookhaven National Laboratory, Upton, NY, USA).

 

Figure 2 : Situation des aimants et du MSS

Transition ou "quench"

Une partie du conducteur d'une bobine ou du circuit électrique, peut passer de l'état supraconducteur à l'état "normal" (ou résistif) de façon non intentionnelle.
La résistance qui apparaît alors provoque un échauffement par effet Joule.

Ce phénomène est appelé transition vers l'état "normal", par opposition à l'état supraconducteur. On parle aussi, plus simplement, de transition.
En anglais, et aussi couramment en français, la transition est appelée "quench".

L'échauffement localisé et important du conducteur peut rapidement entraîner sa destruction ou endommager irrémédiablement certains matériaux.

 

Le MSS dans l'expérience T2K

Le MSS (pour Magnet Safety System) est l'électronique de détection des défauts et d'instrumentation du système de protection de l'arc d'aimants supraconducteurs de la ligne de faisceau de T2K.

 

L' Irfu / SIS a la charge des tâches suivantes :

Étude, Réalisation, Validation, Montage sur site, Mise en service.

 

Fonctions principales

 

Détection

Détection de transition des 28 aimants principaux,

Détection de transition des 2 bus bars (lignes supraconductrices),

Détection de transition des 2 amenées de courant (partie supraconductrice),

Détection de transition des 6 aimants de correction,

 

Actions de sécurité

Arrêt des alimentations de puissance,

  et décharge de l'énergie stockée dans les bobines,

Activation des chaufferettes,

Arrêt du faisceau.

 

Fonctions complémentaires

 

Acquisition de données : Paramètres analogiques et logiques

Gestion par ordinateur : Supervision, réglages et contrôle

 

Carte de détection de transition : MD200

Le MSS de T2K utilise des cartes MD200 (MD pour "Mesure et Détection"), conçues par le SIS.

 

Les fonctions de base de la carte MD200 sont :

 

Figure 3 : Cartes de détection MD200

Mesure

 

Entrées Analogiques

Mise à l'échelle, filtrage et isolement des tensions

 

Sorties Analogiques

Pour recopie vers un système d'acquisition        
 et de stockage externe

 

 

Détection

 

Détection de défaut à l'aide de :

Seuils de niveau

Seuils de durée

 

Cartes Logiques 

 

Figure 4 : Cartes logiques

Carte DX96 (Traitement et mémorisation) et Carte LS100 (Logique de sécurité)

 

Ces cartes reçoivent essentiellement les informations en provenance des cartes de détection de transition (MD200).

 

Elles reçoivent également des informations du reste de l'installation :

       - Alimentations de puissance,

       - Automate de contrôle-commande de la cryogénie,

       - Bouton d'arrêt du champ magnétique.

 

Elles traitent ces informations (96 au maximum), les mémorisent et commandent l'arrêt des alimentations de puissance, la décharge de l'énergie stockée dans les bobines, l'activation des chaufferettes et l'arrêt du faisceau.

 

Cartes d'entrées et de sorties logiques

 

Ces cartes réalisent les interfaces logiques avec les cartes de détection de transition et avec le reste de l'installation.

 

Acquisition de données

Les tensions surveillées ainsi que les courants et tensions des alimentations de puissance sont mémorisés par un système d'acquisition.

 

Les entrées et sorties logiques du MSS sont également enregistrées.

 

Le système d'acquisition est organisé à partir d'une solution au standard VME64x.

 

Figure 5 : Châssis d'acquisition de données

Après transfert dans le PC d'acquisition, ces données permettent l'analyse des événements qui ont précédé et suivi le défaut.

 

La supervision globale du système est effectuée par des outils standards EPICS.

 

Pour la visualisation, un développement spécifique avec le logiciel graphique IDL de RSI est utilisé. 

 

Figure 6 : Visualisation d'une transition provoquée lors d'un test

Gestion par ordinateur

En plus des fonctions de base nécessaires à la protection des aimants supraconducteurs, le MSS possède les fonctions avancées suivantes, accessibles à partir d'un PC :

 

Supervision                                                                

 

Analogique  : tensions d'entrée et tension compensée
Logique   : défauts détectés

Réglage

Gains et offsets  : pour la fonction "Mesure"

                                                        

Contrôle

Seuils : sûreté de fonctionnement de la carte MD200
Logique : sûreté de fonctionnement de l'électronique de protection
Connexions des entrées/sorties : sûreté de fonctionnement des interfaces
Global (mise en sécurité)    : sûreté de fonctionnement du système de protection

                                                              

 

PC de gestion  (ou station de gestion FIP)

 

La station de gestion du MSS est constituée d'un PC équipé d'une carte PCI-FIP pour réaliser l'interface avec les châssis électroniques du MSS, grâce au réseau de terrain WorldFIP.

 

Figure 7 : PC de gestion du MSS

Les défis techniques

Tensions mesurées faibles et isolement nécessaire

 

Tensions mesurées faibles

Si tout va bien :        ~ 0 V (supraconducteurs, I constant),

Seuils de détection : 100 mV

 

Tensions subies élevées

À l'ouverture du contacteur, pour décharger les aimants :
U  =  Résistance de décharge x Courant avant l'ouverture           
U  =                20 mΩ              x              7345 A           ~  150 V à 50 GeV         
Spécification demandée :                                                  500 V           
Les cartes électronique développées au SIS supportent 2000 V

 

Temps de réponse

 

Seuil de durée :  10 ms

 

Jalons techniques

Exploration, Proposition : Janvier 2004 - Décembre 2004
Faisabilité, Évaluation : Janvier 2005 - Février 2006
Définition préliminaire :  Juin 2005 - Mars 2006
Définition détaillée :   Avril 2006 - Janvier 2008
Réalisation :  Décembre 2006 - Juin 2008
Validation à Saclay : Juillet 2008
Montage et mise au point sur site : Septembre 2008
Mise en service, sans le faisceau :  9 Février 2009 (aimants froids)
Mise en service, avec le faisceau :  23 Avril 2009

                    

     

La mise en service

Depuis la mise en service du faisceau, le MSS joue un rôle crucial.

Les transitions des aimants pourraient être provoquées par la perte de l'alignement du faisceau dans le tunnel.

 

Cependant, lors de la mise en service, dès le premier tir et au cours des jours suivants, le faisceau de protons est resté aligné à l'intérieur du tube, sans le traverser et sans réchauffer les aimants ni provoquer leur transition.

 

Figure 8 : Moniteur de muons

La détection de muons lors du premier tir montre que des neutrinos ont bien été produits à Tokai.

 

Figure 9 : Cérémonie en attente des résultats de physique

Cette performance a pu être réalisée grâce au travail de la collaboration T2K, et en particulier aux efforts des physiciens du KEK, des responsables et opérateurs du système d'aimants, de la cryogénie et du faisceau.

 

En ce qui concerne le MSS, merci à toutes les personnes qui ont contribué à cette réussite, de l'étude et la réalisation à Saclay, jusqu'aux tests et à la mise en service au Japon.

 

Les prochaines étapes

 

Intégration du détecteur : Février - Juin 2009
Installation du détecteur au Japon : Juillet 2009
Mise en service de la TPC :  Octobre 2009
‏Prise de données : Décembre 2009
Premiers résultats :    Été 2010

                     

 

Une deuxième phase de l'expérience, consacrée à l'étude de la violation de CP dans les neutrinos, est en cours d'étude.

 

Auteur

Jean-Paul CHARRIER (SIS)

 

 

Pour en savoir plus :

Presentation_MES_T2K_MSS_DA.pdf

 

maj : 11-06-2010 (2627)

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