A gauche :Ian Pong, Responsable du câblage du Berkeley Lab pour l'AUP HL-LHC, fonctionne avec la machine qui forme de nombreux brins de fil supraconducteur en câbles de « style Rutherford ». Le câblage est crucial pour les performances des aimants et une force de longue date du programme d'aimants supraconducteurs de Berkeley Lab. La machine de câblage a d'abord été développée pour le projet Superconducting Super Collider et a depuis été mise à jour avec de nombreuses fonctionnalités d'assurance qualité de pointe conçues pour répondre aux besoins du projet DOE. (Crédit :Marilyn Sargent/Laboratoire de Berkeley). À droite :un détail de la partie de la machine de câblage :des brins de fil supraconducteur pénètrent dans les rouleaux de la machine de câblage où les brins de fil supraconducteur sont façonnés et transformés en câble trapézoïdal de « style Rutherford ». Crédit :Berkeley Lab
Le laboratoire national Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie (DOE) a franchi la moitié du processus pluriannuel de fabrication de câbles supraconducteurs essentiels dans le cadre d'un projet de mise à niveau du Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN. Cette mise à niveau, maintenant en cours, augmentera considérablement le taux de collision de l'installation et sa productivité scientifique.
Le projet de mise à niveau de l'accélérateur LHC à haute luminosité, ou HL-LHC AUP, est un multi-institutionnel, Contribution des États-Unis à la modernisation de l'installation LHC. Le siège du projet se trouve au Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) du DOE.
Un groupe d'aimants de focalisation beaucoup plus puissants, connu sous le nom de « triplet intérieur, " sont prévues pour être installées de part et d'autre des points d'interaction du LHC, où les faisceaux de protons séparés entrent en collision. En serrant les faisceaux à une densité plus élevée aux points d'interaction, ces aimants de focalisation plus puissants augmenteront le nombre de collisions au cours de la durée de vie de la machine d'au moins un facteur 10. Cela augmentera considérablement les possibilités de découvrir une nouvelle physique.
Les bobines des aimants de focalisation AUP du HL-LHC sont constituées d'un supraconducteur avancé niobium-étain (Nb3Sn) dans une matrice de cuivre. L'une des contributions clés de Berkeley Lab est la fabrication de tous les câbles à utiliser dans les aimants. La tâche a atteint la mi-parcours en janvier 2021.
Giorgio Apollinari du Laboratoire Fermi, Chef de projet AUP, dit du jalon, "Il s'agit d'une grande réalisation" tournant de la bouée ", car elle permet au projet de continuer sans entrave dans la production de ces aimants AUP HL-LHC critiques."
Le chef de projet du Berkeley Lab et le directeur du Berkeley Center for Magnet Technology (BCMT) Soren Prestemon ont ajouté :"Cette mi-parcours est une étape importante pour notre équipe de câblage, qui ont livré des prestations exceptionnelles pour le projet, d'autant plus remarquables compte tenu de la complexité du travail sur site sous les contraintes du COVID. »
L'AUP globale a récemment obtenu l'approbation de la décision critique 3 (CD-3) dans le processus de gestion de projet du DOE, donner le feu vert à la production en série des aimants eux-mêmes. La fabrication de câbles avait déjà commencé dans le cadre d'une approche de gestion dans laquelle les articles à long délai, tels que l'approvisionnement en fils et la fabrication de câbles, a reçu les approbations pour aller de l'avant avant la production en série des aimants.
"Le projet AUP s'appuie sur une expertise et des capacités étendues dans la technologie avancée des aimants Nb3Sn au Berkeley Lab, " a déclaré Cameron Geddes, directeur de la division Technologie des accélérateurs et physique appliquée (ATAP) de Berkeley Lab. L'ATAP et la division d'ingénierie ont formé le BCMT pour unir leurs forces dans la conception d'aimants avancés. Geddes ajouté, "Cette étape critique démontre l'engagement du laboratoire envers le projet et la capacité unique de l'équipe à répondre à ses exigences difficiles."
Du conducteur au câble en passant par l'aimant
La plupart des gens ont vu ou même construit des électro-aimants fabriqués à partir de bobines de fil individuel, un élément familier dans les expo-sciences scolaires et dans les produits de consommation. Cependant, il existe de nombreuses raisons pour lesquelles ceux-ci ne fonctionneraient pas bien dans les aimants d'accélérateur. Au lieu, les accélérateurs utilisent des câbles formés de multiples brins de fil supraconducteur. Les câbles sont plats, à section transversale rectangulaire ou très légèrement trapézoïdale « trapézoïdale », un profil connu sous le nom de « style Rutherford » d'après le Rutherford Appleton Laboratory en Angleterre, qui a développé la conception.
Dan Cheng travaillant sur l'assemblage des aimants. Crédit :Marilyn Sargent/Berkeley Lab
Les câbles Rutherford sont flexibles lorsqu'ils sont pliés sur leur large face, ce qui facilite l'enroulement de la bobine. Cependant, les torons aux bords minces du câble sont fortement déformés et leur stabilité thermoélectrique pourrait être dégradée, la mise en forme doit donc être soigneusement surveillée et contrôlée.
L'équipe globale de l'AUP est soutenue par le DOE Office of Science et se compose de six laboratoires américains et de deux universités :Fermilab, Laboratoire national de Brookhaven, Laboratoire national Lawrence Berkeley, Laboratoire national des accélérateurs SLAC, et Thomas Jefferson National Accelerator Facility (tous les laboratoires nationaux du DOE), avec le Laboratoire national des champs magnétiques élevés, Université Old Dominion, et l'Université d'État de Floride. Chacun apporte des forces uniques aux défis de la conception, imeuble, et tester ces aimants avancés et leurs composants. Des partenaires industriels fournissent le fil supraconducteur.
Berkeley Lab expédie les câbles au Fermilab ou à Brookhaven pour qu'ils soient transformés en bobines et mis à réagir (traités thermiquement) pour activer leur supraconductivité. Les bobines ayant réagi sont renvoyées au Berkeley Lab, qui les utilise pour fabriquer des aimants quadripolaires. Cet article récent donne un aperçu approfondi de la façon dont plusieurs institutions utilisent leurs forces complémentaires pour fabriquer des aimants pour l'AUP.
"Ces aimants sont l'aboutissement de plus de 15 ans de développement technologique, à commencer par la collaboration LARP (LHC Accelerator Research Program), " a déclaré Dan Cheng de la division d'ingénierie de Berkeley Lab.
« Des yeux d'aigle pour la qualité et de grands cœurs collaboratifs »
Laboratoire de Berkeley, qui fête ses 90 ans cette année, a une longue histoire de collaboration nationale et internationale dans la conception et la construction d'accélérateurs, et son expertise dans le domaine des aimants supraconducteurs remonte au début des années 1970.
La machine de câblage à mouvement planétaire de Berkeley Lab a été conçue et installée au début des années 1980 et a fait l'objet de mises à niveau continuelles au fil des ans. Il a contribué à un grand nombre de projets du DOE tels que la mise à niveau du Fermilab Tevatron, puis le développement précoce du supercollisionneur supraconducteur. Aujourd'hui, l'installation de câblage est une infrastructure clé pour les activités d'aimant supraconducteur de Berkeley Lab.
L'installation de câblage dispose également d'une suite de systèmes d'assurance qualité de classe mondiale pour surveiller les propriétés des câbles. Ceux-ci incluent une machine de mesure de câble en ligne qui peut mesurer les paramètres dimensionnels d'un câble à une pression définie, un système de caméra en ligne qui peut enregistrer chaque millimètre des quatre côtés des câbles fabriqués et effectuer une analyse d'image, et un système de refroidissement cryogénique spécialement conçu pour mesurer de manière reproductible les paramètres clés.
Les personnes qui assemblent et utilisent cet équipement se trouvent dans les divisions ATAP et Engineering de Berkeley Lab. Ian Pong, un scientifique de l'ATAP et responsable du câblage du Berkeley Lab pour l'AUP HL-LHC, a déclaré « Nous avons non seulement des équipements de classe mondiale pour la fabrication de câbles supraconducteurs à la pointe de la technologie, mais le plus important, une équipe de classe mondiale de personnes qui ont des yeux d'aigle pour la qualité et un grand cœur de collaboration pour les projets."
Apollinaire a dit, "Le groupe Berkeley Lab dirigé par Ian a été remarquable dans la production de haute qualité des câbles Nb3Sn, répondre non seulement aux exigences exigeantes d'assurance et de contrôle de la qualité, mais atteindre un rendement de production très supérieur et supérieur au rendement attendu pour ce type d'activités. Ceci est évidemment d'une grande aide pour le projet AUP, tant du point de vue économique que du point de vue du calendrier."
