Le solénoïde supraconducteur pour le détecteur CMS

Le Dapnia est responsable de la conception générale du solénoïde de l’expérience CMS (Compact muon solenoid) du projet LHC (Large hadron collider), dans le cadre d’un accord de collaboration avec le Cern depuis 1996. Au sein du Dapnia, le SACM intervient comme service pilote du projet pour les aspects de conception magnétique et thermique de l’aimant, pour la supervision de l’assemblage et des essais en surface au Cern, aidé du Service d’ingénierie des systèmes pour les aspects de la conception mécanique, de l’instrumentation et du suivi de la réalisation dans l’industrie. Outre sa taille, les particularités de ce solénoïde sont le conducteur renforcé par un alliage d’aluminium et la conception d’un bobinage par l’intérieur d’un cylindre. Les années 2001 à 2003 ont vu le projet passer de la phase de fin d’études à celui des réalisations et du début de l’assemblage, et ont permis de tester un certain nombre de composants critiques avant leur utilisation dans l’aimant.

 

Le solénoïde supraconducteur (en gris) au centre du détecteur CMS.
Le champ magnétique au centre du solénoïde est de 4 T, la longueur du solénoïde est de 12,5 m pour un diamètre intérieur de 6 m. L’énergie stockée est de 2,7 GJ. Sa masse est de 220 tonnes. Il est réalisé en cinq modules de 2,5 m de longueur.

Un des cinq modules du bobinage en cours de réalisation chez la firme Ansaldo Superconduttori (Photo INFN, Gênes).

Etude de la masse froide et réalisation de ses composants


Après que la conception générale de la masse froide a été entérinée lors d’une revue technique de la collaboration en décembre 1998, les actions classiques d’étude et de réalisation ont été menées :
. finalisation des dessins de détail ;
. écriture des spécifications techniques et réalisation des appels d’offre via le Cern ;
. choix des contractants (avec le Cern) ;
. suivi de la réalisation jusqu’à la réception.

Pratiquement, le SACM a la responsabilité technique et pilote les sous-ensembles suivants réalisés chez des industriels européens, ou des pays faisant partie de la collaboration, qui ont été impliqués très tôt dans les études de détail :
. le système de suspension, constitué de trente tirants en titane réalisés en Russie ; sa réception a été prononcée en septembre 2003 ;
. la cryogénie de proximité ; la réalisation est en cours et la réception est prévue en février 2004 ;
. les écrans thermiques réalisés en Italie ; les écrans internes ont été installés au Cern en septembre 2003, les écrans externes seront installés au 3e trimestre 2004 ;
. les amenées de courant réalisées en France ; elles ont été montées et testées à Saclay au 3e trimestre 2003 ;
. le système de pompage confié à une société allemande ; la réception est prévue mi-2004.

Le SACM a participé au suivi industriel du bobinage, réalisé en Italie par la société Ansaldo Superconduttori, sous la responsabilité de l’INFN (Istituto nazionale di fisica nucleare) de Gênes. Fin 2003, les cinq modules constituant le bobinage étaient réalisés à 60 %. Le SIS est responsable de l’instrumentation interne et du système de diagnostic de l’aimant et participe activement aux systèmes de contrôle et de sécurité de l’aimant.

 

Amenées de courant du solénoïde prêtes à être insérées dans le cryostat d’essai pour être testées.

Caractérisation et qualification de certains éléments critiques


Les stations d’essais du SACM sont utilisées pour caractériser et qualifier un certain nombre d’éléments de la masse froide. On peut citer en particulier :
. la mesure du courant critique de brins extraits du conducteur à différents stades de sa fabrication ;
. la caractérisation de la tenue mécanique de la résine d’imprégnation en fonction de l’état de surface du conducteur ;
. la caractérisation à froid et à température ambiante de deux types d’alliage de titane au laboratoire d’essais mécaniques pour la réalisation des tirants de suspension ;
. l’adaptation d’une station d’essais pour tester la totalité des tirants en conditions mécaniques à 110 % de leur charge, et en conditions thermiques réelles, ceci après avoir testé deux prototypes de tirants.

Par ailleurs, on a adapté ou développé des installations spécifiques :
- une station d’essais pour tester des jonctions électriques sous champ magnétique jusqu’à 10 kA ; deux jonctions prototypes d’environ 1 m de long ont présenté une résistance d’environ 0,9 n sous 2 teslas et 0,6 nΩ sous champ nul ;
- une station d’essais pour tester les amenées de courant à leur régime nominal (20 kA), avec et sans refroidissement ;
- un certain nombre de maquettes réalisées à Saclay pour faciliter l’assemblage final, comme la maquette d’introduction des tirants.

 

Test au Cern de la plate-forme de montage de la masse froide du solénoïde CMS, utilisant l’enceinte à vide comme charge. La plate-forme servira à basculer le solénoïde de la position verticale à la position horizontale après montage.

Montage de la masse froide


Le scénario d’assemblage du solénoïde a été étudié en 2001 puis validé par un bureau de contrôle extérieur. Les cinq modules du solénoïde seront assemblés verticalement, pour constituer la masse froide finale. Une grande plate-forme conçue au Dapnia et construite en Corée du Sud leur servira de support. La plate-forme pivotera pour faire basculer la bobine dans sa position finale horizontale où elle ne tiendra plus que par l'une de ses extrémités. L’enceinte à vide externe sera ensuite translatée horizontalement pour y insérer la bobine. Pendant l’été 2002, cette plate-forme a été testée avec succès, en utilisant l’enceinte à vide interne lestée pour simuler la masse froide.

 

maj : 27-01-2006 (317)

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