Montée record à 4,52 teslas du dipôle HTS en bain d'hélium liquide à Saclay le 26 juillet 2017.
Les équipes du DACM et du DIS ont réalisé un champ magnétique record de 4,52 teslas au centre d’un dipôle prototype bobiné avec un matériau supraconducteur à haute température critique lors d’essais en bain d’hélium liquide. C'est 1 tesla de plus que le dernier record connu pour un dipôle du même type.
Ce dipôle est la première étape vers l’utilisation des supraconducteurs à haute température critique (HTS) pour les aimants d’accélérateurs. Il a comme objectif de démontrer l’utilisation possible d'un ruban céramique HTS de type REBCO pour générer un champ additionnel de 5 T à 4,2 K dans le champ de 13 T du dipôle Nb3Sn FRESCA2, et obtenir un champ total de 18 T.
La conception de cet aimant a commencé dans le cadre du programme européen EuCARD (European Coordination for Accelerator Research and Development), en collaboration avec le CNRS de Grenoble, l’INFN de Milan, l’Université de Tampere et le CERN. Ella a été poursuivie et complétée dans le cadre du premier contrat de collaboration CERN/CEA sur les aimants supraconducteurs pour les accélérateurs du futur. Le design de l’aimant a ainsi pu être amélioré et le prototype réalisé par les agents du Laboratoire d’Etudes des Aimants Supraconducteurs (LEAS) à Saclay de 2014 à 2016.
Les tests de l’aimant ont débuté en avril 2017, dans la station d’essai Séjos du Laboratoire de Cryogénie et Stations d’Essais (LCSE). Une première campagne d’expériences à 77 K, en azote gaz, puis en bain d’azote liquide, a permis de vérifier les performances du câble supraconducteur tout en restant à des valeurs réduites d’énergie stockée. Au delà du courant nominal de 295 A, ces essais à 77 K ont été poussés jusqu'à 320 A.
Les tests ont repris après le refroidissement de l’aimant à une température proche de celle de l’hélium liquide. A cette température, le courant nominal nécessaire pour produire un champ central de 5 T est de 2800 A. Les performances de l’aimant ont d’abord été testées en hélium gaz, conditions pour lesquelles une transition de l’aimant est plus facilement détectable. Le courant de l’aimant a été progressivement augmenté jusqu’à une valeur maximale de 2500 A. A cette valeur, une induction magnétique de 4,3 T a été mesurée par les sondes de hall placées au centre de l’aimant.
Les tests se sont poursuivis en bain d’hélium liquide à 4,2 K. Le courant dans l’aimant a été limité à 2600 A valeur maximale de l’alimentation de puissance utilisée. Aucun signe de transition des rubans supraconducteurs n’a été détecté. L’induction magnétique mesurée au centre de l’aimant était de 4,52 T.
L’ajout d’un nouveau module de puissance, disponible mi-septembre, doit permettre d’atteindre voire dépasser le courant nominal de 2800 A.
Ces tests préliminaires permettront aussi de valider l’ensemble des codes développés dans le cadre des études de l’aimant et de la R&D HTS, notamment pour les problèmes intrinsèques aux supraconducteurs HTS (quench de l’aimant, magnétisation, courants d’écrantages).
La conception, la réalisation et les tests de l’aimant
La conception de l’aimant a été faite lors du projet EuCARD ; cependant, le design a été grandement modifié par le DACM pour sa réalisation tout en gardant l’esprit originel notamment en ce qui concerne le câble « stack » (2 rubans en parallèle) pour passer un fort courant de 2,8 kA. Réalisé puis testé au DACM, il s’agit d’un aimant dipolaire constitué de 3 bobines plates type racetrack double couche (en bleu et rouge dans l’image ci-dessous), assemblées autour d’un pôle central en fer doux (en orange) et maintenues par des mâchoires en inox (en bleu clair) et une structure mécanique extérieure en acier inoxydable. Pour les tests de l’aimant seul, la structure mécanique est constituée de deux parties à section rectangulaire, fixées entre elles autour des mâchoires par un système de vis démontables (image de droite).
La structure mécanique démontable sera remplacée par un tube cylindrique en acier inox renforcé, de 99 mm de diamètre extérieur, afin d’être insérée dans le trou central du dipôle Nb3Sn FRESCA2, actuellement en cours de tests au CERN.
Section et vue 3D CAO de l’Insert HTc EuCARD, avec ses trois bobines double couche (à gauche et au centre)
Les trois bobines supraconductrices de l’Insert HTS EuCARD.
Les bobines étant plates, l’insert n’a pas de trou libre central mais est pourvu d’une cavité au centre pour l’instrumentation de diagnostique (sondes de hall pour la mesure du champ au centre de l’aimant).
Le supraconducteur HTS est un ruban de 12 mm de large produit par la société américaine SuperPower : il est constitué de deux couches de ruban YBCO soudées entre elles autour d’un stabilisant en cuivre (supra vers l’intérieur) et stabilisées d’un côté et d’autre par un ruban en CuBe2 isolé. Deux conducteurs de ce type sont bobinés en parallèle afin d’augmenter la capacité en courant et de diminuer l’inductance totale de l’insert pour des raisons de protection au quench. La transposition des rubans est nécessaire afin d’équilibrer les courants de chacun des rubans et est réalisée dans le plan médian de l’aimant avec une configuration pôle par pôle.
Des bobinages et un assemblage d’essai, dans lesquels les rubans supraconducteurs et CuBe2 étaient remplacés par des rubans en acier inoxydable aux mêmes dimensions, ont été réalisés en 2015 au LEAS pour valider toutes les procédures de réalisation.
Les bobinages et l’assemblage de l’insert à partir des rubans supraconducteurs ont été réalisés en 2016. Puis l’insert a été monté sur une platine pour les tests en configuration aimant seul.
Les tests de l’insert ont été réalisés dans le cryostat Séjos, au bâtiment 192. L’aimant est suspendu à la platine du cryostat au centre d’une cuve métallique de 1660 mm de hauteur et connectée aux amenées de courant (ADI) de 5000 A.
Trois alimentations sont mises en parallèles afin d’obtenir le courant nécessaire à l’expérience.
Contacts : Maria Durante
Pour en savoir plus : Supra HTc pour les aimants d'accélérateurs
Quelques images des différentes phases de l’assemblage et connexion de l’aimant.
• Physique et technologie des accélérateurs › Instrumentations et développements pour les accélérateurs Physique et technologie des aimants supraconducteurs › Instrumentations et développements pour les aimants de recherche
• Le Département d'Ingénierie des Systèmes (DIS) • Le Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme (DACM)
• Laboratoire d ’électronique instrumentale • Laboratoire de conception, d’études et d’avant-projets (LCAP) • Laboratoire d'’études des aimants supraconducteurs (Léas)
