Depuis le 23 Avril 2009, le MSS (Magnet Safety System) est opérationnel au J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex, Tokaï, Japon).
Le MSS, conçu et réalisé par l'Irfu / SIS, protège 28 aimants supraconducteurs à fonctions combinées (dipôles et quadripôles). Ces aimants, parcourus par un courant de 4400 A, courbent un faisceau de protons selon un arc de 90 degrés, dans un tunnel de 150 m de long. Les protons sont destinés à produire des neutrinos envoyés vers le détecteur Super-Kamiokande, à 295 km à l'ouest de Tokai, en passant sous la surface de la terre.
En plus de ces 28 aimants, le MSS protège également 6 aimants de correction supraconducteurs (courant maximum = +/- 50 A).
Lorsque le MSS détecte une transition des aimants (un quench) ou un défaut sur leur circuit électrique, il commande la diminution du courant et la décharge de l'énergie stockée dans les bobines. Il empêche aussi les protons d'entrer dans la ligne de faisceau de T2K, dans un délai de 10 millisecondes.
Figure 1 : Les 2 baies électroniques du MSS
La ligne de faisceau primaire de protons de T2K comporte 28 aimants supraconducteurs à fonctions combinées, conçus par le KEK et situés dans 14 cryostats.
L'arc d'aimants comporte également 6 aimants de correction, conçus par le BNL (Brookhaven National Laboratory, Upton, NY, USA).
Figure 2 : Situation des aimants et du MSS
Une partie du conducteur d'une bobine ou du circuit électrique, peut passer de l'état supraconducteur à l'état "normal" (ou résistif) de façon non intentionnelle.
La résistance qui apparaît alors provoque un échauffement par effet Joule.
Ce phénomène est appelé transition vers l'état "normal", par opposition à l'état supraconducteur. On parle aussi, plus simplement, de transition.
En anglais, et aussi couramment en français, la transition est appelée "quench".
L'échauffement localisé et important du conducteur peut rapidement entraîner sa destruction ou endommager irrémédiablement certains matériaux.
Le MSS (pour Magnet Safety System) est l'électronique de détection des défauts et d'instrumentation du système de protection de l'arc d'aimants supraconducteurs de la ligne de faisceau de T2K.
L' Irfu / SIS a la charge des tâches suivantes :
Étude, Réalisation, Validation, Montage sur site, Mise en service.
Fonctions principales
Détection
Détection de transition des 28 aimants principaux,
Détection de transition des 2 bus bars (lignes supraconductrices),
Détection de transition des 2 amenées de courant (partie supraconductrice),
Détection de transition des 6 aimants de correction,
Actions de sécurité
Arrêt des alimentations de puissance,
et décharge de l'énergie stockée dans les bobines,
Activation des chaufferettes,
Arrêt du faisceau.
Fonctions complémentaires
Acquisition de données : Paramètres analogiques et logiques
Gestion par ordinateur : Supervision, réglages et contrôle
Le MSS de T2K utilise des cartes MD200 (MD pour "Mesure et Détection"), conçues par le SIS.
Les fonctions de base de la carte MD200 sont :
Mesure
Entrées Analogiques
Mise à l'échelle, filtrage et isolement des tensions
Sorties Analogiques
Pour recopie vers un système d'acquisition
et de stockage externe
Détection
Détection de défaut à l'aide de :
Seuils de niveau
Seuils de durée
Figure 3 : Cartes de détection MD200
Figure 4 : Cartes logiques
Carte DX96 (Traitement et mémorisation) et Carte LS100 (Logique de sécurité)
Ces cartes reçoivent essentiellement les informations en provenance des cartes de détection de transition (MD200).
Elles reçoivent également des informations du reste de l'installation :
- Alimentations de puissance,
- Automate de contrôle-commande de la cryogénie,
- Bouton d'arrêt du champ magnétique.
Elles traitent ces informations (96 au maximum), les mémorisent et commandent l'arrêt des alimentations de puissance, la décharge de l'énergie stockée dans les bobines, l'activation des chaufferettes et l'arrêt du faisceau.
Cartes d'entrées et de sorties logiques
Ces cartes réalisent les interfaces logiques avec les cartes de détection de transition et avec le reste de l'installation.
Les tensions surveillées ainsi que les courants et tensions des alimentations de puissance sont mémorisés par un système d'acquisition.
Les entrées et sorties logiques du MSS sont également enregistrées.
Le système d'acquisition est organisé à partir d'une solution au standard VME64x.
Figure 5 : Châssis d'acquisition de données
Après transfert dans le PC d'acquisition, ces données permettent l'analyse des événements qui ont précédé et suivi le défaut.
La supervision globale du système est effectuée par des outils standards EPICS.
Pour la visualisation, un développement spécifique avec le logiciel graphique IDL de RSI est utilisé.
Figure 6 : Visualisation d'une transition provoquée lors d'un test
En plus des fonctions de base nécessaires à la protection des aimants supraconducteurs, le MSS possède les fonctions avancées suivantes, accessibles à partir d'un PC :
Supervision
| Analogique | : tensions d'entrée et tension compensée |
| Logique | : défauts détectés |
Réglage
| Gains et offsets | : pour la fonction "Mesure" |
Contrôle
| Seuils | : sûreté de fonctionnement de la carte MD200 |
| Logique | : sûreté de fonctionnement de l'électronique de protection |
| Connexions des entrées/sorties | : sûreté de fonctionnement des interfaces |
| Global (mise en sécurité) | : sûreté de fonctionnement du système de protection |
PC de gestion (ou station de gestion FIP)
La station de gestion du MSS est constituée d'un PC équipé d'une carte PCI-FIP pour réaliser l'interface avec les châssis électroniques du MSS, grâce au réseau de terrain WorldFIP.
Figure 7 : PC de gestion du MSS
Tensions mesurées faibles et isolement nécessaire
Tensions mesurées faibles
Si tout va bien : ~ 0 V (supraconducteurs, I constant),
Seuils de détection : 100 mV
Tensions subies élevées
À l'ouverture du contacteur, pour décharger les aimants :
U = Résistance de décharge x Courant avant l'ouverture
U = 20 mΩ x 7345 A ~ 150 V à 50 GeV
Spécification demandée : 500 V
Les cartes électronique développées au SIS supportent 2000 V
Temps de réponse
Seuil de durée : 10 ms
| Exploration, Proposition : | Janvier 2004 - Décembre 2004 |
| Faisabilité, Évaluation : | Janvier 2005 - Février 2006 |
| Définition préliminaire : | Juin 2005 - Mars 2006 |
| Définition détaillée : | Avril 2006 - Janvier 2008 |
| Réalisation : | Décembre 2006 - Juin 2008 |
| Validation à Saclay : | Juillet 2008 |
| Montage et mise au point sur site : | Septembre 2008 |
| Mise en service, sans le faisceau : | 9 Février 2009 (aimants froids) |
| Mise en service, avec le faisceau : | 23 Avril 2009 |
Depuis la mise en service du faisceau, le MSS joue un rôle crucial.
Les transitions des aimants pourraient être provoquées par la perte de l'alignement du faisceau dans le tunnel.
Cependant, lors de la mise en service, dès le premier tir et au cours des jours suivants, le faisceau de protons est resté aligné à l'intérieur du tube, sans le traverser et sans réchauffer les aimants ni provoquer leur transition.
La détection de muons lors du premier tir montre que des neutrinos ont bien été produits à Tokai.
Figure 8 : Moniteur de muons
Figure 9 : Cérémonie en attente des résultats de physique
Cette performance a pu être réalisée grâce au travail de la collaboration T2K, et en particulier aux efforts des physiciens du KEK, des responsables et opérateurs du système d'aimants, de la cryogénie et du faisceau.
En ce qui concerne le MSS, merci à toutes les personnes qui ont contribué à cette réussite, de l'étude et la réalisation à Saclay, jusqu'aux tests et à la mise en service au Japon.
| Intégration du détecteur : | Février - Juin 2009 |
| Installation du détecteur au Japon : | Juillet 2009 |
| Mise en service de la TPC : | Octobre 2009 |
| Prise de données : | Décembre 2009 |
| Premiers résultats : | Été 2010 |
Une deuxième phase de l'expérience, consacrée à l'étude de la violation de CP dans les neutrinos, est en cours d'étude.
Jean-Paul CHARRIER (SIS)
Pour en savoir plus :
• Constituants élémentaires et symétries fondamentales › Physique des neutrinos Physique et technologie des aimants supraconducteurs
• Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu) • Le Département d'Ingénierie des Systèmes (DIS) • Le Département de Physique des Particules (DPhP)
• Laboratoire d ’électronique instrumentale • pas de titre • Laboratoire d'études et d’intégration en génie électrique (LEIGE)
PHoCEA DSM 2024 - Tous droits réservés - Mentions légales - Ce site utilise Twitter Bootstrap
Dernière mise à jour : 21-11-2024
Presentation_MES_T2K_MSS_DA.pdf