Comment le grand collisionneur de hadrons entraîne ses aimants


Grand collisionneur de hadrons LHC

Le Large Hadron Collider est le plus grand et le plus puissant accélérateur de particules au monde. Crédit : CERN

Lorsqu’ils s’entraînent pour un marathon, les coureurs doivent augmenter progressivement la distance de leurs courses. Ils savent qu’au début de l’entraînement, leurs courses ne définissent pas ce dont ils seront un jour capables ; Vous construirez une base solide qui les aidera à atteindre leur plein potentiel.

Les de la longueur d’une voiture qui dirigent les particules autour du grand collisionneur de hadrons subissent un processus similaire. Les scientifiques doivent continuer à les pousser à leurs limites jusqu’à ce qu’ils puissent gérer d’énormes quantités d’électricité.

« Ces aimants sont de grandes merveilles d’ingénierie », déclare la scientifique Kathleen Amm, directrice de la division des aimants du Brookhaven National Laboratory au département américain de l’Énergie à New York. « Mais une chose que nous ne pouvons pas faire, c’est les mettre directement dans un accélérateur. Ils doivent être formés. »

Les scientifiques, ingénieurs et techniciens de Brookhaven entraînent désormais des aimants pour une tâche encore plus difficile : diriger et focaliser des particules dans un accélérateur de nouvelle génération, le puissant LHC à haute luminosité du CERN. Heureusement, en plus de pouvoir résister à l’exercice, ces aimants ont la capacité de transporter encore plus d’électricité qu’auparavant.

Résiste aux coups de foudre

Avec un nouveau fil supraconducteur à base de niobium-3-étain, le Nb3Sn, les aimants de l’accélérateur HL-LHC seront capables de conduire environ 40 % de courant électrique en plus que l’itération précédente de l’aimant pour le LHC. Chacun porte environ 16 500 ampères – à peu près le même qu’un petit éclair. L’ordinateur portable moyen utilise moins de 5 ampères.

Les aimants du LHC sont fabriqués à partir de matériaux qui diffèrent sur un important de la composition d’un ordinateur portable : ils sont supraconducteurs. Cela signifie qu’ils peuvent conduire un courant électrique sans perdre d’énergie. Ils ne génèrent pas de chaleur car ils n’ont pas de résistance électrique.

Le hic : l’ancien et le nouveau aimant du LHC n’acquièrent la propriété de supraconductivité que lorsqu’ils sont refroidis à des températures extrêmement basses. Dans le LHC, ils sont maintenus à 1,9 Kelvin (moins 456,25 Fahrenheit) juste au-dessus du zéro absolu.

Mais cela ne suffit pas toujours : une petite erreur peut faire perdre soudainement à un aimant propriétés supraconductrices – un processus connu sous le nom de trempe.

« Une trempe signifie qu’une partie du supraconducteur redevient normale », explique le scientifique Sandor Feher, qui supervise les tests et la formation des aimants du HL-LHC. « Sa température commence à augmenter et cette chaleur se propage à d’autres parties de l’aimant. »

Une trempe peut être ruineuse. « Si un supraconducteur perd ses propriétés supraconductrices, la résistance électrique passe de zéro à une résistance électrique très élevée », explique Amm. « Précédemment [of superconductor development] »Les aimants s’éteindraient pendant cette transition rapide. »

Mais cette surchauffe ne signifie pas toujours une catastrophe. Pendant l’entraînement de l’aimant, l’extinction contrôlée induit des changements structurels utiles au niveau microscopique qui améliorent les performances d’un aimant.

L’anatomie d’un aimant

Quand il avait 12 ans, Martel Walls a remporté un concours d’art local avec un dessin détaillé et réaliste d’un palais de justice à Bloomington, Illinois. « Mon dessin s’est retrouvé au palais de justice », dit-il. « Depuis lors, j’ai su que je voulais travailler dans un domaine qui utilise mon sens du détail et une main ferme. »

L’œil de Walls pour les formes complexes l’a finalement conduit à son poste de technicien principal en développement de solénoïdes au Fermi National Accelerator Laboratory dans l’Illinois, où les équipes fabriquent et testent des aimants pour le HL-LHC.

Les aimants que Walls et son équipe assemblent sont constitués de 450 mètres (environ 1480 pieds) de câble supraconducteur Nb3Sn enroulé autour de deux structures de support imbriquées. Les bobines mesurent environ 4,5 mètres de long. Chaque pouce de câble est vérifié avant et pendant le processus d’enroulement.

Les serpentins sont ensuite chauffés à 665 degrés Celsius (1229 degrés Fahrenheit) dans un cycle de chauffage de 11 jours; un processus qui transforme le câble niobium-étain ordinaire en un supraconducteur, mais le rend également incroyablement cassant. « Il devient aussi fragile que des spaghettis non cuits », explique Walls.

Les techniciens les traitent le plus délicatement possible et soudent d’autres composants sur les bobines avant de les tremper dans de la résine époxy. Les bobines finales sont expédiées au Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie, où plusieurs bobines sont assemblées puis enveloppées dans un solide boîtier en acier. Ils sont ensuite expédiés à Brookhaven pour commencer leur programme de formation.

Lorsque l’équipe de test de Brookhaven connecte les aimants à l’électricité, les bobines poussent et tirent ensemble avec d’énormes forces dues aux champs magnétiques élevés.

Même un petit mouvement de l’ordre de seulement 10 à 20 micromètres – à peu près la largeur d’un cheveu humain – peut suffire à créer une trempe.

Programme d’exercices

Les ingénieurs ont reconnu très tôt qu’un aimant bien construit pouvait se souvenir de ces mouvements microscopiques. Lorsqu’un composant instable se déplace vers une position plus confortable, le composant s’arrête alors généralement. Le résultat est un aimant qui est plus stable la prochaine fois que vous l’allumez.

Au cours de la formation, les scientifiques et ingénieurs augmentent progressivement le courant électrique circulant dans l’aimant. Lorsqu’une partie de l’aimant se déplace ou libère de l’énergie, il le fait dans un environnement de laboratoire contrôlé et non dans un complexe d’accélérateurs souterrain inaccessible.

L’entraînement à l’aimant à Brookhaven commence par l’immersion de l’aimant dans un bain d’hélium liquide. Après refroidissement, l’équipe de test introduit le courant électrique et l’augmente progressivement.

Dès qu’une trempe se produit, le courant est automatiquement dévié de l’aimant. Le bain d’hélium liquide s’évapore et emporte avec lui la chaleur de la trempe. Après chaque trempe, l’hélium est récupéré pour être réutilisé et le processus recommence.

« Notre objectif est de trois extinctions par aimant et par jour », explique Feher. « Nous commençons à 5 ou 6 heures du matin et travaillons en équipes jusqu’à 6 ou 7 heures du soir. »

Petit à petit, l’équipe de test de Brookhaven expose les aimants à des courants de plus en plus élevés.

« Nous pouvons voir 50 à 60 trempes pendant la recherche et le développement des aimants », explique Amm. « Lorsque nous entrons en production, l’objectif est de voir un nombre minimum de trempes, comme 14 ou 15, avant d’atteindre le niveau de souhaité. »

Après avoir terminé la formation – c’est-à-dire que l’aimant peut fonctionner avec le courant souhaité sans extinction – il est renvoyé au Laboratoire Fermi pour un équipement et des tests supplémentaires. Les aimants finaux sont ensuite expédiés au CERN.

Selon Amm, concevoir, construire et préparer des aimants pour moderniser le LHC est plus que de la physique appliquée : c’est une forme d’artisanat.

« C’est là que l’art et la science entrent en jeu », dit-elle. « Vous pouvez faire tellement de science et de technologie, mais en fin de compte, vous devez construire et tester beaucoup d’aimants avant de comprendre le point idéal. »


« Entraînement magnétique » au LHC


Fourni par le Laboratoire national de Brookhaven

Citation: Comment le Large Hadron Collider entraîne ses aimants (2021, 6 octobre), consulté le 7 octobre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-10-large-hadron-collider-magnets.html

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