Depuis de nombreuses années les équipes du Dapnia ont acquis une expertise de premier plan pour la conception, la réalisation, les essais et, au besoin, l’industrialisation d’aimants supraconducteurs. Cette expertise concerne aussi bien les aimants des accélérateurs de particules, comme les dipôles et les quadripôles, que les aimants des dispositifs expérimentaux comme les détecteurs de particules. Le plus grand défi dans ce domaine a été la conception et le suivi industriel des électroaimants des détecteurs Atlas et CMS du Cern. Ces compétences ont permis de répondre, par ailleurs, à des demandes ambitieuses de conception de systèmes cryomagnétiques comme celui du projet Neurospin.

Les aimants du LHC

Dans le cadre de la contribution de la France à la construction du Large Hadron Collider (LHC), le Dapnia s’est vu confié la conception des électroaimants quadripolaires principaux de la machine LHC. Les principales difficultés technologiques rencontrées sont dues à la nécessité d’une grande précision mécanique pour assurer l’homogénéité requise de champ, à d’importantes forces électromagnétiques (4 fois 110 tonnes par mètre) qui tendent à faire éclater l’aimant et à une conception adaptée à une production industrielle de 400 unités. Sur la base des excellents résultats obtenus par les trois prototypes réalisés au CEA et testés au Cern et au Dapnia en 2000, la fabrication des aimants de série a été confiée à l’industriel allemand Accel. Depuis 2001, le Dapnia a assuré le transfert technologique de la réalisation et poursuit actuellement le suivi de la production industrielle.

Atlas

Le Dapnia est également responsable, dans le cadre d’un accord de collaboration avec le Cern depuis 1996, de la conception et du suivi industriel de l’aimant toroïdal central d’Atlas constitué de huit bobines supraconductrices longues de 25 m. Un prototype à l’échelle 1/3 d’une des huit bobines a été réalisé en 1999 à Saclay en faisant le plus possible appel aux composants et aux modes d’assemblage prévus pour les bobines définitives. Cette « petite » bobine de la taille d’un autobus londonien a été testée au Cern en 2001. Les résultats de ces essais ont validé les choix technologiques envisagés pour la construction du détecteur final dans les domaines mécaniques, thermiques et électriques. Les bobines définitives de cet aimant toroïdal géant ont été réalisées à partir de composants fournis par de nombreux industriels européens. Le Dapnia a assuré le suivi industriel de la fabrication de la plupart des composants et le suivi technique, au Cern, de la construction des masses froides de l’aimant toroïdal et de leur intégration dans les cryostats. L’anneau cryogénique qui assure la distribution des fluides cryogéniques (hélium liquide et gazeux) et l’alimentation électrique pour tous les aimants du tore, constitue une contribution en nature du Dapnia à la collaboration Atlas. Les années 2002 et 2003 ont été essentiellement consacrées à sa conception. Il sera réalisé au Dapnia en 2004.

CMS

Ces trois dernières années ont vu le projet du solénoïde supraconducteur de CMS, le plus grand jamais réalisé au monde, passer de la phase de fin d’études à celle des réalisations et du début de l’assemblage. Les contributions notables du Dapnia au cours de cette période ont été d’une part l’étude de la masse froide et le suivi de la réalisation de ses composants, et d’autre part la caractérisation et la qualification de certains éléments critiques comme le conducteur, la résine d’imprégnation, les tirants de suspension, les jonctions électriques sous champ magnétique et les amenées de courant à 20 kA.

Après la mise au point de la gamme de montage, l’outillage qui servira au basculement du solénoïde a été réalisé en Corée sous le contrôle du Dapnia, puis réceptionné au Cern en septembre 2001. Pendant l’été 2002, cet outillage a été testé en lestant l’enceinte à vide interne pour simuler la masse froide.

R3B

La collaboration européenne R3B met en place auprès du laboratoire GSI de Darmstadt en Allemagne un programme consacré à la physique des ions lourds radioactifs. L’énergie exigée par ces faisceaux relativistes (1 GeV par nucléon) nécessite la construction d’installations expérimentales aux performances nouvelles. Au sein de l’ensemble de détection, le spectromètre supraconducteur de grande acceptance Glad (GSI Large Acceptance Dipole), conçu par le Dapnia, répond aux spécifications suivantes : transparence aux neutrons dans un large cône issu de la cible, champ de fuite négligeable au niveau de celle-ci. L’intensité du champ magnétique au sein du spectromètre doit assurer une séparation efficace des fragments lourds et des protons relativistes. La conception originale du dipôle magnétique incluant un blindage actif lui donne compacité et faible stockage énergétique. Les bobines inclinées en forme d’hippodrome trapézoïdal induisent un champ quasi homogène dans le volume utile. En juillet 2001, le rapport technique de conception a été validé par un comité international d’experts. Le Dapnia a également contribué à la rédaction de la proposition européenne de Construction de nouvelle infrastructure qui devrait s’achever courant 2008.

DVCS

Dans le cadre de collaborations avec le laboratoire Thomas Jefferson aux États-Unis, le Dapnia s’est engagé à étudier et réaliser un solénoïde supraconducteur pour l’expérience Deeply Virtual Compton Scattering (DVCS). Cet aimant sera utilisé au centre du champ toroïdal créé par les six aimants du détecteur Clas (Cebaf Large Acceptance Spectrometer). L’originalité de ce projet tient à ce que, pour annuler les forces d’interaction entre les aimants, une bobine solénoïdale de correction a été adjointe au solénoïde principal, ce qui a pour effet de réduire considérablement les effets du champ magnétique sur sa périphérie. Après avoir effectué les études magnétiques, thermiques et mécaniques, le Dapnia a réalisé en 2003 le bobinage des deux solénoïdes et les premières mesures magnétiques à chaud. L’assemblage du cryostat, les essais à 4,2 K à Saclay et la mise en service in situ de l’aimant sont prévus en 2004.

Neurospin

La direction des sciences du vivant du CEA a proposé le projet Neurospin qui consiste à concevoir et réaliser un centre d'imagerie et de spectroscopie en résonance magnétique nucléaire (RMN). Destinée à repousser les limites de l'imagerie cérébrale, cette plate-forme technique sera construite dans l'enceinte du CEA Saclay. Elle sera équipée de quatre systèmes de RMN : deux systèmes produisant des champs magnétiques de 3 et 11,7 T pour des études cliniques sur l’homme, et deux autres destinés à des études précliniques sur le primate et le petit animal, produisant 11,7 et 17 T. Le Dapnia participe à l'élaboration du projet en tant qu'assistant au maître d'ouvrage. Le département a conduit trois études destinées à vérifier la faisabilité et à cerner les difficultés de conception et de réalisation des sous-éléments particulièrement délicats que sont l’aimant de 11,7 T à grande ouverture, les bobines de gradient de champ magnétique et les antennes à haute fréquence.

Recherche et développement

Tous ces travaux d’études et de réalisations de hautes technologies se sont appuyés sur des actions de R&D ; citons, par exemple, les bladders du toroïde d’Atlas et le thermosiphon du solénoïde supraconducteur CMS. Aujourd’hui, le programme prioritaire de R&D porte sur les développements nécessaires pour des aimants à haut champ magnétique (supérieur à 12 T). Un autre axe de R&D concerne l’hydrodynamique des écoulements d’hélium diphasique.

Le composé intermétallique de niobium-étain (Nb₃Sn) s’avère être le seul matériau supraconducteur apte à succéder à moyen terme au niobium-titane dans des applications à grande échelle nécessitant des électroaimants à fortes densités de courant au sein de champs magnétiques élevés. Le programme de R&D mené dans ce domaine a pour objectif de maîtriser et de faire progresser la technologie du Nb₃Sn pour de nouveaux projets d’aimants supraconducteurs. Trois actions-clés sont menées en parallèle : le développement de fils en Nb₃Sn à forte densité de courant critique en collaboration avec Alstom, la fabrication d’un quadripôle modèle et le développement d’une isolation en céramique. Cette action – menée en collaboration avec le laboratoire de céramiques et de composants avancés du CEA et l’Institut européen des membranes du CNRS – a pour objectif l’étude et la mise en œuvre d’une isolation électrique pouvant supporter le traitement thermique à haute température nécessaire à la formation du Nb₃Sn. Deux brevets sur le « procédé de fabrication d’une gaine électriquement isolante et mécaniquement structurante sur un conducteur électrique » ont été déposés par le CEA.