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  • Un nouvel écran de faisceau pour la haute luminosité

    Dec 10, 2018

    Les aimants des triplets internes situés de part et d'autres des expériences ATLAS et CMS, qui assurent la focalisation finale des faisceaux de protons avant les collisions, devront être renouvelés en vue du LHC à haute luminosité. Ces nouveaux aimants auront besoin de nouveaux écrans de faisceau dans leurs tubes froids, qui viendront remplacer les écrans de faisceau des aimants actuels. Ce remplacement, qui concerne 230 mètres de la ligne de faisceau du LHC, sera effectué en 2024.

    Les écrans de faisceau actuels du LHC sont constitués d'un acier inoxydable spécial, laminé sur sa surface intérieure avec une fine feuille de cuivre présentant une grande conductivité électrique. Lorsque les faisceaux circulent, la température de l'écran de faisceau varie entre 5 K et 20 K. Ce dispositif permet aux particules de circuler dans un vide semblable à celui existant sur la Lune, et constitue en outre un écran thermique, qui limite le transfert d'énergie du faisceau à la masse froide des aimants, refroidie à 1,9 K (-271.3 ℃).

    Les nouveaux écrans de faisceau sont des tubes de 11 mètres de long, présentant une section transversale octogonale, et pesant au total presque une tonne. Ils protégeront les bobines et les systèmes cryogéniques des aimants contre les charges thermiques et les autres dommages qui pourraient être causés par les débris des collisions, hautement pénétrants. Cette protection est assurée par des inserts composés de tungstène ; il s'agit là de l'une des différences principales avec les écrans de faisceau actuels. Parmi les autres différences, on peut relever le fait que l'ouverture est plus grande et que les tubes de refroidissement sont au nombre de quatre au lieu de deux.

    Les nouveaux écrans de faisceau ont été conçus de manière à remplir deux exigences majeures : supporter une transition résistive – phénomène consistant à ce qu'un dispositif supraconducteur devienne résistif – dans l'aimant sans déformation plastique, et faire passer la chaleur de l'écran de tungstène aux tubes de refroidissement intégrés, afin de maintenir la température dans la fourchette définie, soit entre 60 et 80 K.

    En 2018, deux expériences ont été réalisées tout spécialement pour valider cette conception : un test thermique et un test de transition résistive. Pour le test thermique, les conditions réelles d'exploitation pour l'écran de faisceau ont été reproduites dans un cryostat prévu à cet effet, aux températures de fonctionnement. L'objectif était de mesurer le transfert de chaleur vers le tube froid à travers le système soutenant l'écran de faisceau, et de réaliser une cartographie de la distribution de la température dans la couche de cuivre. Le test de transition résistive a été réalisé avec un modèle court de quadripôle ; il a consisté à reproduire le comportement mécanique de l'écran de faisceau pendant une transition résistive dans l'aimant. L'écran de faisceau a gardé son intégrité, et aucune déformation plastique n'a été observée. Les deux tests ont montré une très bonne concordance avec les simulations.

    Après les phases de conception et de développement, il s'agira à présent de passer à la production de ce dispositif, dans le but de le rendre opérationnel d'ici à 2024.


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