Toroïde central d’Atlas dans sa caverne.
Les détecteurs de physique comme ceux du futur Large hadron collider (LHC) au Cern nécessitent des champs magnétiques intenses qui courbent la trajectoire des particules afin d’en mesurer la quantité de mouvement. Le système magnétique du détecteur Atlas du LHC est formé de plusieurs aimants supraconducteurs à la température de l’hélium liquide, soit –269 °C. Il comprend un toroïde central, deux toroïdes d’extrémité et un solénoïde central. Le Dapnia a été responsable de la conception et du suivi industriel* de la construction du toroïde central dans le cadre d’un accord de collaboration signé avec le Cern en 1997.
L’expérience Atlas
L’expérience Atlas est, entre autre, composée d’un spectromètre de grande dimension pour les muons, particules de très haute énergie. Cet ensemble permet, grâce à 3 couches concentriques de détecteurs du type chambres à fils, de mesurer très précisément la trajectoire des muons courbée par un champ magnétique intense.
Des physiciens du Dapnia voulaient obtenir ce champ magnétique sans la présence de fer magnétisé qui perturberait les muons ; ils ont donc imaginé le concept de grand toroïde à air. Par la suite, la grande proximité des physiciens et des ingénieurs au Dapnia a rendu possible la naissance de cette conception très originale. Dans cet important projet, on trouve à coté du Dapnia, le Laboratorio acceletori e superconduttività applicata (Milan) de l’INFN et plusieurs équipes du Cern, chacun apportant sa contribution à différentes parties de l’aimant.
Le spectromètre à muons d’Atlas baigne dans un très grand champ magnétique qui entoure l’ensemble de l’expérience. Pour construire un aimant capable de produire un tel champ, les ingénieurs-chercheurs du Dapnia ont conçu un ensemble de huit bobines supraconductrices de forme rectangulaire de 25 m de long sur 5 m de large, alimentées par un courant de 20500 ampères. Le champ magnétique ainsi produit entoure l’expérience à la manière d’un tore, d’où l’appellation « toroïde » pour l’aimant géant d’Atla
Intégration au Cern des écrans : la superisolation multicouche a été déposée sur la partie gauche de la bobine du premier plan ; en arrière plan, l’écrantage est achevé.
Descente de la 8e bobine dans la caverne d’Atlas.
L’anneau cryogénique
Une ligne de distribution cryogénique, divisée en 8 secteurs, est située sur le rayon externe du toroïde, longitudinalement près du centre de l’aimant. Chaque secteur, long de 6 m, distribue les fluides cryogéniques (hélium gazeux et hélium liquide) et la puissance électrique aux huit bobines. Le secteur du haut est raccordé au cryostat des amenées de courant. Le secteur du bas comprend une boite à vannes cryogéniques permettant la distribution des fluides dans les huit secteurs. Les trois types de secteurs ont été fabriqués à Saclay avant leur livraison au Cern. L’installation sur le toroïde et les soudures finales se sont achevées en mars 2006.
Mise en fonctionnement du toroïde central
Le toroïde a été pour la première fois refroidi à -269° C dans son ensemble en juin et juillet 2006, avant d’être mis progressivement en fonctionnement à partir du mois de septembre.
Un courant de 21 000 ampères a été injecté dans la nuit du jeudi 9 novembre 2006 dans les 8 bobines de l’aimant d’Atlas, soit 500 ampères de plus que le courant nécessaire pour produire le champ magnétique prévu.
Tous les tests de fonctionnement ont été passés avec succès pour ce qui constitue désormais le plus grand aimant supraconducteur au monde. Une fois sous tension, cet aimant stocke une énergie magnétique de 1,1 GJ, équivalente à celle nécessaire pour soulever la tour Eiffel d’une hauteur de 10 mètres.
Lors de la montée du courant, une déformation progressive de l’étoile formée par les bobines vers une forme ovale, d'une amplitude de 2 mm, a pu ainsi être observée. Cette amplitude est en bon accord avec les modèles utilisés pour le calcul des déformations mécaniques.
Première des huit bobines du toroïde central en cours d’essai au Cern sur la station d’essai cryogénique.
Un des secteurs de la ligne de distribution cryogénique, avant la mise en place des écrans thermiques. Au centre de l’assemblage, on aperçoit les conduites d’hélium ainsi que les busbars (liaisons supraconductrices entre les amenées de courant et le bobinage).
Collaborations
La collaboration avec l’industrie européenne s’est imposée pour fabriquer le toroïde. C’est ainsi que le Dapnia a travaillé avec Technicatome pour la France, ASG-Superconductors pour l'Italie, Leipert et EAS pour l’Allemagne, Corus et Exotech pour les Pays-Bas, HTS pour la Suisse, FCM pour l’Espagne, RusAl en Russie et MZOR en Bielorussie.
Seule la coopération très étroite entre les services du Dapnia (Service de physique des particules, Service des accélérateurs, de cryogénie et du magnétisme, Service d’ingénierie des systèmes, Service d’électronique, des détecteurs et d’informatique) a permis le succès de ce projet. Cette réussite constitue l’aboutissement de plus de 10 ans d’effort dans le cadre d’une collaboration mondiale. Elle est une étape décisive vers la mise en service du détecteur Atlas au Cern, avant la prise de données prévue fin 2007.
Évolution de la position verticale d'une bobine située en haut du toroïde, en fonction du courant électrique.
• Physique et technologie des aimants supraconducteurs
• Le Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme (DACM)
