CMS est prêt pour le bobinage

Fin octobre, les dernières longueurs de conducteur destiné au solénoïde supraconducteur de CMS ont été produites. C'est un autre grand projet de CMS qui s'achève ainsi avec succès, après l'assemblage de la culasse de l'aimant l'an dernier (voir Bulletin 43/2002).

Plus de 1600 km de brin supraconducteur pour constituer 50 km de conducteur ! C'est la longueur nécessaire pour bobiner le solénoïde de CMS. C'est aussi plus que la distance qui sépare le CERN d'Annecy, où les longueurs de conducteur ont été fabriquées. Le lot complet de conducteur est constitué de 21 longueurs de 2500 m de supraconducteur renforcé, pour les cinq modules de la masse froide composés de quatre couches chacun, ainsi que pour la réalisation d'un prototype plus petit. Ce qui représente un projet de 18 millions de CHF. «C'est une réalisation majeure pour le projet d'aimant de CMS en particulier et pour CMS en général», déclare Domenico Campi, responsable du groupe CMS Aimant.


Les éléments du conducteur du solénoïde de CMS entrent dans la chambre à vide pour subir un soudage par faisceau d'électrons, à Annecy.

Le détecteur CMS nécessite un champ magnétique élevé de 4 teslas dans l'aimant de 13 m de long. Seuls les supraconducteurs permettent d'atteindre une telle intensité, si l'on veut éviter d'avoir un solénoïde de 3 mètres d'épaisseur avec des conducteurs conventionnels ! Mais ce champ magnétique intense génère également une forte pression. Après mise sous tension, la pression radiale dans la bobine de CMS doit atteindre 64 atmosphères, soit 64 kilos par centimètre carré ! Pour éviter d'avoir à construire une enceinte résistant à ces forces, qui de surcroît pourraient mettre à défaut l'isolation, une solution innovante a été proposée par le CEA : renforcer localement le conducteur, là où pression magnétique est générée.
La structure complexe d'un tel conducteur renforcé comprend un câble rectangulaire, appelé câble de Rutherford, constitué de 32 brins de niobium-titane supraconducteur. Le tout est enrobé d'aluminium pur à 99,998%, formant ainsi l'insert, qui lui même est renforcé par deux sections d'alliage d'aluminium. Steve Horvath de l'ETHZ et François Wittgenstein du CERN furent à l'origine des premiers essais avec leurs collègues de l'atelier central du CERN (Thierry Tardy en particulier) pour obtenir une structure aussi innovante.


Section du conducteur de CMS : 32 brins supraconducteurs sont noyés dans de l'aluminium pur, lui-même renforcé des deux côtés par un alliage d'aluminium.

Les deux barres de renfort sont assemblées à l'insert par la technique de soudage par faisceau d'électrons. L'avantage est que l'énergie est concentrée dans une étroite bande fondue, ce qui réduit grandement le risque de détérioration potentielle du câble supraconducteur par surchauffe. De surcroît la qualité métallurgique de la soudure est excellente. Pour produire industriellement 50 km de conducteur, un important et coûteux outillage a été utilisé ; en particulier, un atelier de 80 mètres de long a été érigé dans la société TECHMETA d'Annecy pour souder et usiner le conducteur dans sa forme finale.
L'avantage d'une telle structure de conducteur, plutôt que d'avoir des couches séparées d'insert et de renfort, est que quatre couches seulement sont nécessaires. On obtient ainsi une haute précision à la fois pour la forme cylindrique et le nombre de tours par module. Si l'une des couches était surdimensionnée de seulement 0,2 millimètre, un tour complet par module serait perdu, ce qui réduirait l'intensité du champ magnétique.
De nombreuses personnes ont participé aux diverses phases du projet, mais le groupe de l'aimant de CMS aimerait au moins mentionner l'équipe qui a constamment supervisé la production : Bertrand Blau de l'ETHZ, Benoît Curé, Jean-Paul Grillet, Noël Mezin, Pierluigi Riboni et Sandra Sequeira du CERN, avec l'aide du laboratoire EMPA et de la société Marti-Supratec AG. Cette supervision était nécessaire pour éviter tout problème qui aurait pu conduire à la perte d'une longueur de supraconducteur. Cela n'aurait pas seulement coûté environ 1 million de CHF mais encore généré des délais inchiffrables !
« La bonne qualité du conducteur est le point de départ du bobinage de bonne qualité que nous connaissons aujourd'hui», précise Domenico Campi également au nom de Alain Hervé, le coordinateur technique de CMS.