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Rafraîchir des aimants pour le HL-LHC

La première unité « MKI-Cool » a été installée début janvier. Désormais des cylindres de ferrite refroidis par eau protègeront les aimants de déflexion rapide du LHC de la charge thermique accrue lors de l'exploitation à haute luminosité

MKI cool
Le système MKI-Cool dans sa chambre à vide (Image: CERN)

La plupart des travaux de recherche et développement pour le LHC à haute luminosité (HL-LHC) visent à protéger les éléments fragiles de l'accélérateur des effets néfastes de la haute luminosité, tels que l’accroissement des rayonnements et de l'échauffement. L'installation au cours de l’arrêt technique hivernal de l'aimant de déflexion rapide doté du système « MKI-Cool », le premier d'une série de huit, marque une nouvelle étape ; un cylindre toroïdal en ferrite, refroidi par eau, contribuera à abaisser la charge thermique qui devrait s'accumuler sur les culasses des aimants, permettant ainsi le bon fonctionnement du HL-LHC.

Les deux systèmes d’aimants de déflexion rapide du LHC, chacun composé de quatre aimants et de quatre générateurs d’impulsions, se trouvent à l'intersection de l'anneau du LHC et de ses deux lignes de transfert qui acheminent les particules depuis le super synchrotron à protons (SPS). Un aimant de déflexion rapide (dit « kicker ») donne une poussée à chaque paquet injecté afin de le placer sur l'orbite du LHC. Étant donné que ces poussées ne doivent pas perturber le faisceau circulant dans le LHC, chacune ne dure que huit microsecondes ; ces aimants doivent donc être rapides et synchronisés avec précision.

Ces caractéristiques techniques rendent ce type d'aimants particulièrement vulnérables à l'environnement hostile dans lequel ils se trouvent. En effet, il n’est pas possible de protéger totalement l’aimant de l'échauffement provoqué par le faisceau qui le traverse, car un blindage aurait un effet sur la pulsation haute fréquence du champ magnétique. En outre, la haute tension utilisée dans ce système exclut de refroidir par eau la culasse de l'aimant, ce qui représente un obstacle majeur étant donné que la culasse perd ses propriétés magnétiques lorsque la température dépasse la température critique de 125 °C. Dans ces conditions, en cas de dysfonctionnement des aimants de déflexion rapide, les particules mal aiguillées pourraient déclencher des transitions résistives dans les aimants supraconducteurs du LHC. Des mesures ont déjà été prises pour éviter ce risque dans l'accélérateur actuel, mais elles ne suffiraient pas à protéger les aimants contre une charge thermique qui devrait être quatre fois plus importante à haute luminosité.

Le système MKI-Cool est une solution ingénieuse, mise au point par le groupe Transfert de faisceaux des accélérateurs (SY-ABT), pour protéger de façon durable les aimants de déflexion rapide. Un cylindre toroïdal en ferrite est fixé en amont de l'ouverture du MKI-Cool afin d'absorber une part importante de l'échauffement provoqué par le faisceau, réduisant par conséquent l'échauffement de la culasse de l'aimant. Le cylindre en ferrite est de plus refroidi par eau. La culasse en ferrite du MKI-Cool devrait ainsi rester en dessous de 100 °C, même avec des faisceaux à haute luminosité.

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Extrémité du MKI-Cool, montrant le cylindre de ferrite refroidi par eau. (Image: CERN)

La première unité MKI-Cool a été installée le 11 janvier au point 8, en remplacement d’un aimant de déflexion rapide standard. Une fois le LHC remis en marche, l'interaction entre le faisceau de particules et l’unité MKI-Cool mettra à l'épreuve la performance de la technologie. Si ce test s’avère concluant, les sept unités MKI-Cool restantes seront installées avant le début de l'exploitation du HL-LHC.