Le Dapnia a conçu et réalisé un aimant supraconducteur, avec les systèmes de contrôle et de sécurité associés, pour l’expérience CLAS/DVCS au laboratoire Jefferson (Virginie, USA). Cet aimant, formé de deux bobines et de conception cryogénique originale, vient s’insérer à l’intérieur de l’aimant toroïdal de CLAS, où son intégration magnétique et mécanique a nécessité de résoudre de nombreux problèmes. Testé fin décembre 2004 au service des accélérateurs, de la cryogénie et du magnétisme du Dapnia (SACM), l’aimant a été expédié et installé en février 2005 au centre du détecteur CLAS. L’expérience CLAS/DVCS a pu démarrer comme prévu en mars 2005 et se poursuit avec succès.
Pour les besoins d’une expérience originale avec le spectromètre CLAS [1], un nouvel ensemble magnétique a dû être conçu et inséré à l’intérieur de l’aimant toroïdal de CLAS. Sa fonction est de concentrer sur son axe les nombreux électrons de basse énergie créés par l’interaction du faisceau avec les électrons des atomes de la cible. L’aimant agit donc comme un blindage magnétique pour éliminer ces électrons qui sont une source de bruit de fond pour les détecteurs de l’expérience.
La conception de l’aimant résulte du meilleur compromis possible entre des exigences contradictoires. En premier lieu, la suppression, ou du moins la minimisation, du bruit de fond nécessite un fort champ magnétique vers l’avant, avec des lignes de champ ne s’évasant pas trop vite. En second lieu, l’aimant doit avoir un champ de fuite réduit dans la direction radiale pour ne pas induire de contraintes mécaniques trop grandes dans le tore magnétique de CLAS. Enfin, la configuration géométrique de l’aimant doit permettre la détection de particules émises dans des directions pouvant atteindre 60 degrés par rapport à son axe.
[1] Expérience dite CLAS/DVCS, CEBAF E-01-113 (V. Burkert, L. Elouadrhiri, M. Garçon et S. Stepanyan porte-parole)
Figure 1 : Représentation du solénoϊde et de son cryostat. Le diamètre utile au centre est de 230 mm. A l’arrière à droite, l’enceinte abritant les amenées de courant. Le cylindre horizontal supérieur contient le réservoir tampon d’hélium servant en cas de quench (retour quasi-instantané du supraconducteur à l'état résistif).
Un aimant composé d’une seule bobine ne peut satisfaire toutes ces contraintes. Le principe d’une seconde bobine dite de compensation (alimentée en sens inverse de la première), a été proposé par le SACM : une bobine de section trapézoïdale produit le champ principal, tandis qu’une autre, concentrique et de section rectangulaire plus petite, assure au champ de fuite les caractéristiques requises.
La forme géométrique exacte des deux bobines a été calculée par le service de physique nucléaire du Dapnia (SPhN), et leur conception mécanique a été assurée par le service d’ingénierie des systèmes (SIS). Les principes de cryogénie adoptés par le SACM permettent, par l’astucieuse et originale utilisation d’un réservoir tampon, de limiter à une heure le temps de récupération en cas de décharge rapide (figure 1). Les décharges de courant sont contrôlées par un système de sécurité construit au SIS, qui se déclenche à partir de conditions électriques (perte de la supraconductivité ou problème d’alimentation) ou cryogéniques (conditions de refroidissement).
Les deux bobines ont été réalisées au SACM en 2003. Le cryostat a été assemblé à partir de l’été 2004, et les tests de l’aimant avec son système de sécurité, à Saclay, se sont achevés fin décembre 2004, après quatre quenchs « formateurs », c’est-à-dire quatre retours quasi-instantanés du supraconducteur à l’état résistif pendant lesquels la bobine s’est mise en place sous les efforts magnétiques. Puis l’ensemble a été démonté et mis en caisse, pour une expédition au Jefferson Lab. Une équipe du Dapnia (SACM-SIS-SPhN) a procédé sur place à la réception, au remontage, à l’intégration dans CLAS (figure 2) et à la remise en route. La coopération entre les équipes de Saclay et du laboratoire Jefferson a été exemplaire, et l’aimant a été opérationnel à temps pour la première période d’expérimentation à la mi-mars 2005.
Figure 2 : Représentation du solénoϊde (en jaune), auquel est fixé un nouveau calorimètre électromagnétique, inséré au centre du tore CLAS (en bleu). Les différentes composantes de détection du spectromètre CLAS ne sont pas représentées.
Figure 3 : Photographie du solénoϊde, auquel est fixé le calorimètre électromagnétique, juste avant son insertion au centre du tore CLAS, vers la droite (début mars 2005).
Les forces électromagnétiques induites par le solénoïde sur le tore sont exactement conformes au calcul, ainsi que le bruit de fond résiduel sur le nouveau détecteur de photons installé juste devant le solénoïde et la cible (figure 3). L’aimant satisfait pleinement les spécifications et fonctionne au champ nominal de 4,65 teslas au centre.
Outre l’expérience CLAS/DVCS à laquelle le DAPNIA participe activement (construction de cet aimant, réalisation d’un système de monitorage par laser du calorimètre par le service d'électronique des détecteurs et d'informatique, forte participation à l’analyse des données), ce solénoïde est déjà demandé pour l’expérience CLAS/BONUS [2] au deuxième semestre 2004.
[2] Expérience BONUS, CEBAF E-03-012 (H. Fenker, C. Keppel, S. Kuhn et W. Melnitchouk porte-parole).
Contact : Bertrand Hervieu
• Structure de la matière nucléaire › Structure en quarks et gluons des hadrons Physique et technologie des aimants supraconducteurs Détection des rayonnements Constituants élémentaires et symétries fondamentales
• Le Département d'Ingénierie des Systèmes (DIS) • Le Département de Physique Nucléaire (DPhN) • Le Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme (DACM)
• Groupe Clas • Nucleon Structure Laboratory (LSN) - The internal structure of hadrons • Laboratoire de cryogénie et des stations d’essais (LCSE)
PHoCEA DSM 2024 - Tous droits réservés - Mentions légales - Ce site utilise Twitter Bootstrap
Dernière mise à jour : 20-11-2024
