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HiLumi News : Un aimant en niobium-étain du HL-LHC réparé avec succès

Le remplacement réussi d'une bobine dans un quadripôle en niobium-étain du HL-LHC par l'équipe chargée du projet de mise à niveau de l'accélérateur aux États-Unis a démontré la flexibilité et la rentabilité de cette technologie cruciale

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Le CERN et l'équipe chargée du projet de mise à niveau de l'accélérateur (Accelerator Upgrade Project – AUP, un consortium de laboratoires américains basé au Fermilab comptant les laboratoires BNL, LBNL et Fermilab) collaborent étroitement pour développer, construire et tester les quadripôles des triplets du HL-LHC – l'une des pièces maîtresses du programme. Ces aimants, qui existent en deux tailles – un modèle de 4,2 mètres de long produit aux États-Unis et un modèle de 7,2 mètres de long produit au CERN – focaliseront les faisceaux dans des régions à luminosité élevée, aux points de collision d'ATLAS et de CMS. Le supraconducteur en niobium-étain (Nb3Sn) dont sont faites les bobines de l'aimant permet d’obtenir le très fort champ magnétique requis pour cette focalisation. Un test réalisé au Laboratoire national de Brookhaven (BNL) en janvier 2023 a démontré qu'il était possible de remédier à une éventuelle limitation de la performance d’un aimant causée par l'une de ses quatre bobines en remplaçant simplement la bobine affectée.

Tout a commencé en octobre 2021, lorsqu'un test cryogénique a mis en évidence des limitations au niveau de la performance du huitième quadripôle, appelé MQXFA08, produit par l'équipe du projet AUP, ne permettant pas de satisfaire aux exigences du HL-LHC. Après avoir déterminé avec précision la région et les raisons d'une possible défaillance dans l'une des quatre bobines de l'aimant, l'équipe du projet AUP au LBNL a envoyé la bobine en question au CERN, où le groupe EN-MME a pu confirmer la présence, dans la bobine de cinq tonnes, de sous-éléments en Nb3Sn cassés d'une épaisseur d'environ 50 microns. « Trouver la cause précise de la limitation de l'aimant – apparue dans des conditions de fonctionnement défavorables en raison de la pandémie de COVID-19 – a été plus difficile que de chercher une aiguille dans une botte de foin. Le fait d'avoir pu localiser ces filaments cassés a donc été une réussite en soi, rendue possible par la collaboration fructueuse entre les deux équipes », explique Giorgio Apollinari, responsable du projet AUP.

Se retrouvant avec un quadripôle incomplet, à trois bobines, les équipes du CERN et du projet AUP ont dû répondre à une question difficile : allait-on pouvoir remplacer la bobine dysfonctionnelle ou faudrait-il se débarrasser de l'aimant entier, ce qui entraînerait alors des coûts importants pour le programme ? « Même si l'on avait déjà démontré qu'il était possible de remplacer des bobines individuelles dans des aimants en niobium-étain sur des prototypes de petite taille, il restait encore à prouver que cela était également possible sur des aimants de plus grande longueur », explique Susanna Izquierdo Bermudez, ingénieure responsable des quadripôles MQXF au CERN.

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Tests de puissance effectués sur l'aimant MQXFA08 au Laboratoire national de Brookhaven. Nous voyons la limitation des performances (à gauche) et les performances après le remplacement de la bobine (à droite). (Image: CERN)

La bobine a été remplacée à l'automne 2022 et, après refroidissement, l'aimant – désormais appelé MQXFA08b – a atteint son intensité nominale après quatre transitions résistives. Deux transitions résistives supplémentaires ont ensuite été nécessaires pour que l'intensité nominale soit atteinte avec une marge de 300 A, puis le quadripôle en question a été jugé apte à être assemblé dans la masse froide. Toutes les transitions résistives d'entraînement se sont produites dans la nouvelle bobine, les trois autres bobines, qui avaient été entraînées lors de la campagne de tests précédente, les ayant bien mémorisées. « Ce résultat nous montre que nous pourrons éviter de mettre inutilement au rebut des aimants entiers quand une seule de leurs bobines est défectueuse, ce qui permet de limiter les surcoûts. C'est un résultat encourageant qui démontre le bien-fondé de la technologie Nb3Sn et de la conception mécanique. Nous commençons seulement à utiliser le niobium-étain dans les accélérateurs de particules, et ce matériau n'a pas encore livré tous ses secrets », ajoute Giorgio Apollinari.

Ce résultat important donne un nouvel élan au programme des quadripôles des triplets internes, qui va bon train. Jusqu'à présent, sept des vingt quadripôles MQXFA requis ont réussi le test en vertical au BNL, et une première paire d'aimants a été assemblée à l'intérieur d'une masse froide. Cette masse froide fait actuellement l'objet de tests de mise sous tension et sera livrée au CERN une fois qu'il aura été prouvé qu'elle satisfait aux critères d'acceptation pour un fonctionnement dans le HL-LHC.