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Nouvelles du HL-LHC : le quadripôle en niobium-étain de 7,2 m atteint son intensité nominale

Au cours d'un test au hall SM18, la version de 7,2 m de long de ce composant-clé du HL-LHC a atteint son intensité nominale, plus une marge opérationnelle correspondant à un champ maximal dans la bobine de 11,5 T, à une température de 1,9 K

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L'aimant MQXFBP3 après le test, pendant l'assemblage avec le dipôle correcteur d'orbite. (Image: CERN)

Un nouveau succès pour le programme des aimants du HL-LHC : après celui du test d'endurance du quadripôle en niobium-étain de 4,2 m de long, effectué aux États-Unis au printemps 2022, c’est maintenant la version plus longue du quadripôle du HL-LHC qui a fait ses preuves. Le MQXFBP3 est le troisième prototype de quadripôle en grandeur réelle testé au hall SM18. En septembre-octobre 2022, il a atteint son intensité nominale plus une marge opérationnelle, ce qui valide la solution de l'alliage niobium-étain pour les aimants supraconducteurs.

Le MQXFBP3 est le troisième de la série des quadripôles des triplets du HL-LHC qui ont été produits et testés au CERN ces dernières années. Ces aimants supraconducteurs de 7,2 mètres de long, ainsi que leur version plus courte actuellement en cours de production aux États-Unis, focaliseront les faisceaux de protons plus étroitement autour des points de collision d'ATLAS et de CMS dans l’objectif de multiplier par dix la luminosité intégrée (en d'autres termes, le nombre de collisions) du HL-LHC.

Les deux premiers aimants testés au CERN n'ont pas réussi à atteindre leur intensité nominale, ce qui a incité le groupe des aimants du département Technologie des accélérateurs à améliorer la conception et les processus d'assemblage des prototypes dans le cadre d’une stratégie en trois volets. La masse froide de l'aimant a été modifiée afin de réduire le couplage entre la coque extérieure soudée en acier inoxydable et la structure en aluminium de l'aimant.

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L'aimant MQXFBP3 sur le point d'atteindre l'intensité nominale dans le hall de test SM18. (Image: CERN)

Cette version révisée – le troisième prototype – a réussi à atteindre l'intensité nominale (ce qui correspond à une exploitation à 7 TeV) plus une marge opérationnelle de 300 A avec une seule transition d’entraînement à une température de 1,9 K. C'est le premier assemblage de la masse froide du MQXF, testé horizontalement avec une coque extérieure soudée (comme dans la version définitive), à réussir cette performance, qui correspond à un champ de crête de 11,5 T dans la bobine. L'aimant a été soumis à deux cycles d'échauffement et de refroidissement, sans que sa performance ne se dégrade. Même s'il satisfait aux critères d'acceptation pour un fonctionnement dans le HL-LHC, l'aimant était limité à une intensité située 3 % au-dessous de l'intensité nominale à 4,5 K. La localisation et la phénoménologie de ces transitions résistives sont très similaires à celles des transitions résistives qui fixaient les limites des premier et second prototypes du MQXFB.

Après le test, l'aimant a été extrait de sa coque en acier inoxydable ; il est à présent en cours d'assemblage avec le dipôle correcteur d'orbite emboîté, fourni par l'institut espagnol CIEMAT. Un nouveau test avec cette configuration sera réalisé à la mi-2023. Si le test confirme sa performance, le MQXFBP3 sera le second cryoaimant à être installé dans la chaîne de triplets internes.

Le succès du test réalisé récemment est un motif de satisfaction et de soulagement, d'autant plus que les composants en niobium-étain, plus cassants que les composants en niobium-cuivre, ont été examinés de près. Les ingénieurs du groupe des aimants sauront cependant trouver les moyens de porter la performance de l'aimant MQXFB de 7,2 m de long au même niveau que celle des modèles plus courts et des aimants de 4,2 m de long fabriqués aux États-Unis. L'assemblage du MQXFB02, l'aimant de phase deux de la stratégie en trois volets, comprendra de nouvelles améliorations techniques visant à éviter la sursollicitation de la bobine pendant les opérations de gonflage de vessie et d’insertion de clavettes, observée pour les trois premiers prototypes. Les équipes travaillant sur les aimants attendent avec impatience les résultats des tests de mise sous tension qui se poursuivront au hall SM18 durant les premiers mois de 2023. Affaire à suivre !

Insertion du prototype MQXFBP3.  (Video: CERN)