L'équipe de l'Irfu qui a contribué à la réalisation et aux essais du quadripôle à Saclay (crédit : CEA/Irfu).
L’électroaimant supraconducteur quadripôle de grande ouverture (90 mm) pour le projet HL-LHC du Cern qui a été fabriqué et testé à 4,2 K par les équipes de l’Irfu, a atteint le 5 mars 2021 son gradient nominal de 120 T/m (défini pour 1,9 K). Ces très bons résultats viennent valider la conception et les procédures de fabrication proposées par l’Irfu qui font l’objet d’un transfert technologique vers les industriels membres du projet Européen QuaCo (QUAdrupoleCOrrector). Cet aimant a été réalisé dans le cadre du projet d’upgrade en luminosité progressive du LHC (HL-LHC) mis en place à de l’horizon 2025. Ces aimants en NbTi font partie des aimants d’insertion. Ils doivent être placés en amont et en aval des détecteurs comme Atlas et CMS au centre desquels les 2 faisceaux se croisent pour faire les collisions. Ils permettront d’assurer la compression des faisceaux avant les collisions et ainsi de contribuer à augmenter la luminosité intégrée du HL-LHC (c’est-à-dire le nombre total de collisions), jusqu’à la rendre dix fois supérieure à la valeur nominale initiale du LHC.
Pour répondre au besoin du projet HL-LHC, l’Irfu travaille depuis 2014, dans le cadre d’une collaboration avec le CERN, au développement d’un aimant NbTi double ouverture (permettant le passage des deux faisceaux du collisionneur). Cet aimant quadripolaire de 90 mm d’ouverture présente un gradient de fonctionnement de 120 T/m à 1,9 K et une longueur magnétique de 3,67 m. Pour développer cet aimant, le CEA avait la charge de concevoir, fabriquer et tester ce modèle court simple ouverture de 1,2 m de longueur magnétique, appelé MQYYM.
Immobilisation des conducteurs pendant le bobinage du premier des 4 Pôles. Image réalisée sur la machine de bobinage du LEAS à Saclay (crédit : CEA/Irfu).
Assemblage du Quadrupôle au Cern
Pour la fabrication de ce modèle court, l’ensemble de la conception mécanique, de la mise en plans et du suivi de réalisation des composants des bobines et de l’aimant par des industriels a été réalisé par l’Irfu. A partir de janvier 2017 les bobines prototypes ont été fabriquées au CEA. Les équipes de l’Irfu se sont ensuite déplacées au Cern pour assembler les bobines dans une structure mécanique composée de colliers en acier à l’aide d’une presse verticale développée par le Cern. Autour des bobines frettées formant l’ouverture, une culasse magnétique est assemblée pour compléter l’aimant.
En janvier 2020 le modèle court est revenu à Saclay pour être testé dans le cryostat vertical d’une plateforme de test de l’Irfu. Après plusieurs mois de préparation du test pendant lesquels l’aimant a été suspendu à la platine du cryostat, connecté aux amenées de courant et instrumenté, l’aimant a été refroidi à 4,2 K. Une fois l’aimant à la bonne température, le courant a été monté dans les bobines pour vérifier que le champ magnétique voulu pouvait être atteint. Finalement, après un « training » de seulement deux « quenches » à 4,2 K, l’aimant a atteint le courant de 4550 A qui produit le gradient attendu à 1,9K de 120 T/m sans transiter. Ce test à 4,2 K a révélé les très bonnes performances de l’aimant sachant que ce résultat n’était attendu que lors du test à 1,9 K et que les aimants d’accélérateurs transitent souvent de nombreuse fois avant d’atteindre le champ magnétique souhaité.
Lors des essais de l’aimant MQYYM, le MSS analogique (Magnet Safety Sytem) de la station verticale assurait la détection de quenches et la mise en sécurité de l’aimant, en commandant sa décharge rapide dans une résistance de puissance. Depuis 2018, l’Irfu développe un MSS numérique dont l’essentiel des traitements est intégré dans un FPGA (field-programmable gate array), après une numérisation des signaux de l’aimant. Un prototype a fonctionné pendant toute la durée de ces essais, avec un réglage du seuil de détection plus sensible que la version analogique. Les résultats obtenus sont identiques dans les deux systèmes. Le MSS numérique n’a pas détecté de faux évènement pendant toute la durée des opérations, y compris lors des commutations de l’alimentation de l’aimant. Les signaux de mesures et les détections des 2 quenches sont identiques au MSS analogique, avec les mêmes temps de mise en sécurité. Ce test concluant valide l’utilisation d’un MSS numérique, avec en redondance un MSS analogique, dans les futures stations d'essais de l'Irfu.
Vue du quadripôle court de simple ouverture en configuration de tests avant son insertion dans le cryostat (crédit : CEA/Irfu).
Dans les prochains mois, l’aimant MQYYM sera démonté de la station actuelle puis remonté sur une toute nouvelle station de l’Irfu appelée STAARQ (Station Test Aimant AccélérateuR Quadripole) conçue pour assurer les montées en champ à la température de 1,9 K et caractériser les performances magnétiques des aimants d’accélérateurs. Ces tests permettront d’atteindre la température finale d’utilisation de l’aimant à 1,9 K pour continuer d’augmenter le gradient. Puis ce sera ensuite au tour des aimants longs, qui arriverons de l’industrie via le projet QuaCo, d’être testés.
Contact Irfu : Damien SIMON
• Physique et technologie des aimants supraconducteurs › Aimants supraconducteurs pour la physique des 2 infinis
• Le Département d'Ingénierie des Systèmes (DIS) • Le Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme (DACM)
• Laboratoire de conception, d’études et d’avant-projets (LCAP) • Laboratoire des Relations Industrielles (LRI) • Laboratoire d'’études des aimants supraconducteurs (Léas) • Laboratoire de cryogénie et des stations d’essais (LCSE)
