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Nouvelles du HL-LHC : un nouvel aimant niobium-étain pour le programme HL-LHC du CERN

Un deuxième quadripôle pour les triplets du HL-LHC a atteint les intensités requises pour un fonctionnement à 7 TeV, avec des performances plus élevées

Le programme des aimants est au centre du projet HL-LHC. Il prévoit en particulier le développement d'aimants quadripôles pour les triplets. Ces aimants serviront à focaliser le faisceau, d'une grande intensité, à proximité des points de collision à ATLAS et CMS. Le composé niobium-étain constituant les bobines permet d'obtenir les champs magnétiques de 12 Teslas requis pour le HL-LHC.

Malgré la complexité de la fabrication des bobines et des aimants en Nb3Sn, la technologie est en train d'être validée pour une utilisation dans les accélérateurs de particules. Vingt aimants de 4,2 m de longueur (MQXFA) sont en cours de production aux États-Unis, dont sept ont déjà subi leurs tests avec succès. Ces aimants seront assemblés deux par deux dans les masses froides à titre de contribution en nature au HL-LHC.

Le troisième prototype de la version plus longue de l'aimant développé au CERN (MQXFBP3, 7,2 m de longueur) était le premier à atteindre l'intensité nominale, plus une marge opérationnelle, dans un test effectué fin 2022. Après ce succès, le résultat du test, pendant plusieurs mois, de son successeur, MQXFB02, a été accueilli avec enthousiasme par les équipes du projet HL-LHC : non seulement ce nouvel aimant atteint également l'intensité nominale plus la marge opérationnelle, mais il l'atteint avec une marge de température plus importante. De plus, il a manifesté sa résilience dans un test d'endurance permettant de simuler son comportement à long terme dans le HL-LHC. Un test similaire a été effectué en 2022 sur un aimant produit aux États-Unis.

MQXFB02 est le résultat du deuxième volet de la stratégie mise en œuvre pour prendre en compte les limitations de la performance observés dans les deux premiers prototypes MQXFB. Ce deuxième volet consiste en des améliorations techniques visant à éviter la sursollicitation de la bobine pendant les opérations de gonflage de vessie et d'insertion de clavettes. La mise sous tension pour le test a commencé en novembre 2022 et l’opération s'est achevée en mars de cette année. 

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(Image: CERN)

Le quadripôle a atteint l'intensité nominale, plus une marge opérationnelle de 300 A (16,53 kA), avec deux transitions résistives à 1,9 K au cours du premier cycle de mise sous tension. À 4,5 K, la transition résistive s'est produite à l'intensité nominale plus 200 A, démontrant ainsi une marge de température de ~2,7 K. Cette limitation de la performance est similaire à ce qui a été observé dans les trois premiers prototypes, mais avec un courant plus élevé. La résilience de l'aimant a été évaluée au moyen de trois cycles de réchauffement et de refroidissement, qui ont tous permis d'obtenir l'intensité nominale à 1,9 K sans transition résistive. Sur plus de trois mois de tests, il y a eu un total de 500 cycles de mises sous tension et de 48 transition à forte intensité, soit provoquées, soit spontanées : aucune dégradation de la performance n'a été constatée. Cette association de performance et de résilience est la base des critères d'acceptation pour les éléments du HL-LHC.

Étant donné ces bons résultats, l'aimant sera extrait de sa masse froide et, en avril 2023, une nouvelle masse froide sera fabriquée, incluant, cette fois, un aimant de correction d'orbite emboîté fabriqué par la CIEMAT. La masse froide sera alors à nouveau testée, dans sa configuration finale, à SM18, en 2024.