1.4 État de l’art des dipôles d’accélérateurs
1.4.2 Les dipôles en blocs
Une autre configuration possible consiste à disposer les conducteurs selon des blocs rectangulaires (Figure 1.13). Les premiers dipôles « blocs » en Nb3Sn ont été explorés
par le LBNL grâce à l’aimant test HD1. Avec ses 16 T sur le conducteur [36], cet aimant détient le record actuel de champ produit par une bobine supraconductrice de type dipôle, avec en plus une densité de courant bien plus faible que ce qui est disponible aujourd’hui. Le principe a ensuite été reproduit avec HD2, un aimant de plus grande ouverture, qui a atteint un champ maximum de 14,5 T sur le conducteur [37]. Ces dipôles ont également permis de valider la méthode « bladders & keys » [38] servant à maintenir les bobines en compression.
Le projet européen NED [39] a étudié différentes configurations pour des dipôles haut champ : cos θ disposés en couches et en encoches, common-coils, intersection d’ellipses. La configuration en intersection d’ellipses consiste en une répartition théorique du conducteur à courant constant, conduisant à un dipôle parfaitement homogène. Cette configuration a été proposée par Beth [40] et a été ensuite largement explorée par Felice [22], qui
Figure 1.13 – Configuration magnétique 2D « blocs » du dipôle FRESCA2 en cours de conception [35].
propose une approximation en blocs. L’aimant FRESCA2 du projet européen EuCARD (successeur de NED), actuellement en cours de fabrication [35], [41], est similaire à HD2 et a été conçu pour un champ maximum de 15 T sur le conducteur.
Le projet européen EDIPO [42] montre des caractéristiques de champ et d’ouverture similaires à FRESCA2. Il est bobiné quant à lui à partir de « câbles en conduite »2. Il est conçu pour produire un champ central de 12,5 T dans une ouverture rectangulaire de 100×150 mm.
Figure 1.14 – État de l’art des dipôles supraconducteurs pour accélérateurs [41]. Les projets TAMU3 et EDIPO ont été ajoutés.
La Texas A&M University (TAMU) a mené une étude pour fabriquer un dipôle Nb3Sn
en configuration blocs, avec comme objectif une gestion rigoureuse des efforts, à l’aide de
2. également appelés « cable in conduit », câbles composés de brins tressés puis insérés dans une gaine métallique. Dans certains cas, une conduite centrale permet l’évacuation de chaleur. Ce type de conducteur est utilisé notamment pour la fusion nucléaire.
36/176 1.4. État de l’art des dipôles d’accélérateurs bladders, plaques et ressorts en Inconel. Les prototypes TAMU1 & 2 ont été testés avec succès. Dans la version TAMU3, le champ maximum devrait dépasser les 14 T [43].
L’état de l’art des différents projets de dipôles d’accélérateurs est résumé Figure 1.14. Ils sont classés en fonction de l’ouverture et du champ maximum sur le conducteur (échan- tillon court).
Conclusion
Pour explorer la matière, la physique des particules a besoin de collisionneurs. At- teindre des particules de masse élevée, tel le boson de Higgs par exemple, revient à pro- duire des collisions de haute énergie. Les collisionneurs de particules sont principalement circulaires, et utilisent des aimants supraconducteurs pour courber le faisceau de parti- cules. Or, augmenter l’énergie du faisceau implique d’augmenter le champ de courbure. Le supraconducteur NbTi utilisé actuellement possède un champ critique limité technolo- giquement à 12 T, c’est pourquoi les concepteurs d’aimants se tournent vers le Nb3Sn. La
maîtrise de la fabrication de câbles en Nb3Sn est le fruit de 50 ans de recherches. Alors que
de nombreux problèmes sont en partie résolus (stabilité, fabrication de filaments pouvant supporter une forte densité de courant...), d’autres ne le sont pas (évacuation de la cha- leur, sensibilité à la contrainte mécanique...). Divers aimants prototypes ont ainsi montré la faisabilité d’aimants haut champ en Nb3Sn, ouvrant la voie aux aimants Nb3Sn pour
les accélérateurs à haute énergie, mais de nombreux défis technologiques restent à relever. Finalement, les conceptions magnétiques en configuration bloc sont celles qui ont permis d’atteindre les inductions magnétiques les plus élevées, et méritent d’être étudiées plus profondément.
une contrainte mécanique transversale
Introduction
P
our des aimants d’accélérateurs dépassant les 10 T, la densité de courant requise est très importante et les forces de Laplace qui en résultent peuvent dégrader le Nb3Sn.Le chemisage métallique des câbles ne suffit plus à contenir ces efforts. Des contraintes transverses de compression doivent alors être encaissées par le conducteur lui-même et peuvent atteindre plus de 200 MPa.
Dès les années 60, la dégradation du courant critique dans des brins supraconducteurs, soumis à une contrainte axiale, était connue. De nombreuses mesures sont venues par la suite illustrer ces observations. Mais il a fallu attendre 1987 pour que Ekin, rapporte [44] les premières mesures de courant critique sur des brins soumis à une contrainte transverse. Il existe une documentation relativement bien fournie sur le sujet. En revanche, la comparaison semble difficile, étant donnée la variété des paramètres de l’échantillon. Ce chapitre se propose de comparer les mesures trouvées dans la littérature, selon la méthode d’obtention des brins (bronze : section2.2, poudres : section2.3, étain interne : section2.4, MJR : section 2.5.). Les résultats sont ensuite regroupés suivant qu’ils ont été obtenus avec des brins seuls, des brins dans leur câble, ou des câbles. Dans la mesure du possible, les courbes sont comparées à champ égal. Les courbes de courant critique en fonction de la contrainte ont toutes été normalisées par rapport au courant critique à contrainte nulle Ic0. La performance du conducteur (Ic0) sera précisée, pour les articles où cette donnée
apparaît1. En outre, les méthodes de détections varient, ce qui peut rendre d’autant plus
ardue la comparaison. En général le critère de détection porte sur un champ électrique, autour de 1 µV/cm, mais il peut porter également sur une résistivité en Ω.cm. Cette étude se focalisera sur les câbles de type Rutherford, utilisés par la suite.
La section2.1décrit les différents modes opératoires employés. Diverses lois empiriques ont également été établies d’après les expériences et permettent de prévoir les capacités de transport d’un brin supraconducteur en fonction du champ, de la température et de la déformation. La section 2.7 sera consacrée à cet aspect. Finalement, des modèles
1. Les densités de courants critiques sont difficilement comparables, car les caractéristiques des brins ne sont pas toujours clairement précisées (diamètre, rapport Cu/nonCu...). Seul le courant critique sera indiqué.
38/176 2.1. Comparaison des modes opératoires intéressants ont été établis pour représenter la déformation subie par un brin dans un câble, ils seront décrits dans la section2.8.
2.1
Comparaison des modes opératoires
Afin de se placer dans des conditions similaires à un aimant à haut champ, les échan- tillons sont testés dans un champ de fond perpendiculaire à la direction du courant, et généré par l’aimant de la station d’essais. Toutefois, l’aimant qui génère ce champ de fond possède un diamètre utile qui limite la taille des échantillons qu’on peut y insérer. Deux méthodes principales se distinguent alors pour les essais de courant critique sous contrainte. La première consiste à plier le conducteur en forme de U, puis à l’insérer dans un solénoïde. La deuxième consiste à insérer des conducteurs droits dans un aimant de type dipôle (Figure 1.11).
Il est intéressant de mentionner également les travaux de Seeber et al. [45], qui consistent à bobiner un brin rectangulaire autour d’un mandrin central puis à le com- primer entre deux flasques en spirale.