Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Généralités

Au sein de l’ensemble de détection de l'expérience R³B, le spectromètre supraconducteur de grande ouverture GLAD (GSI Large Acceptance Dipole) jouera un rôle central. Il est conçu et sera réalisé par le CEA au Dapnia avec des partenaires industriels. Cet aimant sera utilisé par toutes les expériences de la collaboration R³B, que celles-ci aient pour objectif l’étude de la structure des noyaux exotiques ou l’étude des mécanismes des réactions nucléaires (en particulier de la spallation).

Objectifs:

GLAD est conçu pour prendre en compte quatre objectifs principaux :

1) une intégrale de champ de 4,8 T.m
2) une grande ouverture angulaire, horizontale comme verticale, pour les particules et fragments de noyaux chargés et pour les neutrons non déviés par le champ magnétique.
3) une grande acceptance en impulsion permettant de détecter simultanément les protons et les noyaux lourds, résidus du faisceau après réaction dans la cible en amont de GLAD,
4) assurer un faible champ de fuite au point cible afin de pouvoir placer autour de celui-ci des détecteurs sensibles à la présence de champ magnétique (des photomultiplicateurs, par exemple).

Ces objectifs font de ce spectromètre un outil bien adapté à l'étude de la spallation en cinématique inverse et en coïncidence ainsi qu'à l'étude de la fission coulombienne des actinides mineurs. C'est pourquoi le groupe spallation du SPhN s'est investi dans sa conception.

Les caractéristiques de GLAD rendront possible la réalisation d’expériences au cours desquelles l'essentiel des particules qui ont une faible énergie cinétique dans le repère du centre de masse du projectile seront détectées, particules qui proviennent essentiellement de la désexcitation du projectile au cours de la réaction. Ceci permettra la reconstruction des états excités des projectiles à la cible, information très importante pour tester les modèles des réactions nucléaires et ainsi accéder à l'information sur la structure du projectile dans les expériences de structure.

 Localisation:

 L'aimant GLAD sera installé dans la salle R³B du futur complexe d'accélérateurs FAIR qui sera construit au GSI, à Darmstadt (Allemagne).

L’intégration des bobines supraconductrices dans la masse froide, l’instrumentation et l’intégration du dipôle total dans son cryostat seront effectués avec l'aide de l'industrie et au CEA Saclay (2010). Des tests seront réalisés à Saclay aussi bien qu'au GSI à Darmstadt (Allemagne).
Après les tests de réception, le spectromètre R³B GLAD sera expédié en Allemagne pour son installation au GSI (2011 - 2012).

Contexte:

Le financement de la construction de l'aimant R³B-GLAD est assurée conjointement par l'Union Européenne, dans le cadre du 6^ème PCRD, le GSI et le DAPNIA. La réalisation de l'aimant a été confiée entièrement au DAPNIA.

Contribution du Dapnia

40 personnes impliquées sur la durée du projet, pour un total de 34 hommes-an.

Importance de l'investissement du Dapnia:

Le DAPNIA est le seul organisme de recherche à travailler sur cet aimant.

L'investissement pour le DAPNIA dans le projet d'aimant R3B-GLAD est de 500 k€.

Contribution du Dapnia

-Les contributions

Sur le cahier des charges défini par la collaboration R3B coordonnée par le GSI, le Dapnia est responsable de la conception, de la réalisation et des tests à Saclay ; l’aimant Glad sera ensuite transporté et installé à GSI.
Le GSI, un accélérateur d'ions lourds situé à Darmstadt (Allemagne), devra fournir l’installation cryogénique nécessaire à la production et distribution d’hélium et d'azote liquides, ainsi que plus généralement toute l’infrastructure locale.
La présence de personnel GSI est prévue dès la phase d’intégration 2, et pendant les essais à Saclay.

Services impliqués:

Le SACM

Le SACM est le service pilote pour l’ensemble du projet : de la conception générale (en particulier le design magnétique original, le câble supraconducteur et la protection, ainsi que la cryogénie reposant sur un thermosiphon hélium) à la réalisation, puis les tests de réception.
 

Le SPhN

Le SPhN, responsable scientifique, assure le lien avec l’ensemble des expériences de la collaboration R3B et aide l'équipe projet à traduire en paramètres techniques les paramètres définis par la physique visée.
 

Le SIS

 
Le SIS prend en charge la conception mécanique, notamment celle de la masse froide qui doit assurer la tenue mécanique de l'ensemble et contrarier les énormes efforts magnétiques exercés sur les bobines, l'électrotechnique de puissance et le contrôle-commande ainsi qu'une partie du suivi industriel de réalisation.

Responsabilités

 Ampleur du projet

La collaboration internationale R³B rassemble environ 150 physiciens provenant d'une cinquantaine d'institutions, essentiellement européenne mais aussi indiennes, chinoises et américaines.

Le projet R³B-GLAD vise à construire en moins de cinq ans un aimant d'environ 50 tonnes, 7 m de large, 3,5 m de long et 4 m de haut. L'énergie stockée dans les 4,5 tonnes de câble supraconducteur de nobium-titane (NbTi) sera de 24 MJ. Il sera utilisé dans toutes les expériences de la collaboration R³B.

 

 Contacts

 

 

 

 

 

INSTRUMENTATIONS

Instruments:

Conçu sur le principe innovant du blindage actif, l'aimant R³B-GLAD est constitué de quatre bobines supraconductrices (design "Tigra Trace": Tilted and graded trapezoidal racetrack coils). Les deux bobines principales en forme d’hippodrome trapézoïdal évasé sont inclinées verticalement. Les bobines latérales contribuent à la fois au champ principal et au blindage magnétique, tournées horizontalement, ce qui permet de minimiser le volume et l’énergie stockée. L'ouverture angulaire requise pour les faisceaux spécifiés est ainsi assurée, tout en maintenant le champ de fuite à un faible niveau.

Description technique:

Le système de protection de l’aimant se compose d’une détection active des transitions résistives suivie d’une décharge de l’aimant dans une résistance externe. Les bobines sont précontraintes dans une boîte en alliage d’aluminium afin de contenir les efforts magnétiques qui atteignent des valeurs relativement élevées (entre 300 et 400 tonnes par mètre).

Le refroidissement cryogénique indirect est assuré par conduction à travers le bobinage avec un écoulement d’hélium diphasique en thermosiphon.

L’ensemble du cryostat, du séparateur de phases et des écrans thermiques prendra place dans une enceinte à vide en forme de cône elliptique ( ~ 7 m X 4 m, en sortie).

Spécificités:

Durée ~ 5 ans ;
Dimensions l 7,00 m x L 3,50 m x H 4 m ;
Poids total ~ 50 tonnes ; Masse froide ~ 20 tonnes ;

Energie stockée ~ 24 Mégajoules ; Intégrale de champ ~ 4,8 Tesla-mètres ;
Câble supraconducteur NbTi ~ 16 km et 4,5 tonnes ; J ~ 80 A/mm² ; Courant ~ 3700 A ;
Forces magnétiques ~ 300 à 400 tonnes/mètre ;  

 
En juillet 2001, le rapport technique de conception a été validé par un comité international d’experts. En 2003, le dossier européen R³B-GLAD « Construction de nouvelle infrastructure » a été préparé en vue du 6^ème PCRD, et des études d’optimisation de la configuration finale se sont poursuivies. Le dossier de financement européen a été accepté fin 2005 et le projet a pu démarrer au début de 2006.

Un comité d'experts internationaux a examiné le concept d'aimant en juillet 2006 et a émis des recommandations prises en compte par l'équipe projet.

Le SACM pilote ce projet d’aimant avec la contribution du SIS, et participe, sous la responsabilité scientifique du SPhN, à la collaboration R³B qui regroupe 50 instituts de recherche en Europe et dans le monde.

Le nombre de spires des bobines principales est graduel afin d’obtenir un plateau de champ magnétique à 2,7 T dans la zone utile et maintenir le champ sur le câble supraconducteur à une valeur inférieure à 6,5 T. Les bobines latérales sont également « graduelles » et optimisées en vue d’annuler le champ de fuite à l’extérieur du dipôle et garantir un champ magnétique faible dans la zone cible (< 20 mT). La position, la section et la forme trapézoïdale de toutes les bobines assurent un champ essentiellement dipôlaire.

Avec une densité de courant apparente moyenne inférieure à 80 A/mm², cette conception donne un aimant compact dont l’énergie stockée est minimale (24 MJ).

La technologie du blindage actif permet la réalisation d'un aimant entièrement supraconducteur, ce qui présente l’attrait de la linéarité entre le courant d’alimentation des bobines et la carte de champ magnétique, combinant les avantages d’un aimant supraconducteur sans fer et d’un faible champ de fuite.