Avancées dans la conception des magnets de septum au CEBAF

Dans les accélérateurs circulaires, il y a des aimants spéciaux appelés aimants septum qui aident à diriger les faisceaux de particules. CEBAF, un site pour accélérer les électrons, a beaucoup de ces aimants septum, avec différentes densités de courant, ce qui fait référence à la quantité de courant électrique qui passe par une certaine zone. Pour CEBAF, les densités de courant peuvent être élevées, ce qui peut poser des défis en termes de conception et d'exploitation.

#Le besoin d'amélioration

Actuellement, il y a 27 septa à courant continu (DC) et un septum Lambertson à CEBAF. La conception existante fonctionne mais a ses limites. Alors que le site vise à augmenter l'énergie des faisceaux d'électrons, il devient essentiel de trouver des moyens de réduire la Densité de courant dans ces aimants tout en maintenant leur efficacité.

Une option étudiée était d'utiliser des matériaux Supraconducteurs. Cependant, les supraconducteurs traditionnels peuvent être difficiles à intégrer à cause des limitations d'espace et de Refroidissement. Une autre approche a été proposée pour modifier les septa à courant DC existants afin qu'ils puissent fonctionner efficacement avec une densité de courant réduite.

#Changements de conception

La nouvelle conception implique d'ajuster la géométrie des aimants septum. Plus précisément, l'écart entre les pôles de l'aimant a été réduit de 90 mm à 40 mm. Ce changement a permis d'augmenter le champ magnétique à l'intérieur de l'aimant tout en maintenant le champ à l'extérieur de la feuille de courant faible, similaire à une configuration septum conventionnelle. En conséquence, la quantité de courant nécessaire a diminué considérablement, rendant possible l'utilisation de bobines en cuivre au lieu de matériaux supraconducteurs.

#Feuille de courant et champ magnétique

La feuille de courant est la partie de l'aimant où le courant électrique circule. Dans la nouvelle conception, les ingénieurs ont veillé à ce que la taille et la forme de la feuille de courant soient ajustées pour maintenir la performance de l'aimant. Avoir une feuille de courant plus petite peut aider à minimiser les problèmes de chauffage et de refroidissement, qui sont courants lors de l'exploitation de ce type d'aimants.

#Avantages de la nouvelle conception

Cette conception modifiée offre plusieurs avantages clairs. D'abord, elle réduit la densité de courant, ce qui signifie qu'il faut moins d'électricité intense. C'est important car des densités de courant élevées peuvent entraîner une surchauffe et peuvent être difficiles à gérer en termes de refroidissement. Une densité de courant plus faible signifie que le système est plus facile à entretenir et réduit le besoin de systèmes de refroidissement complexes.

De plus, l'aimant septum redessiné peut aussi réduire le champ magnétique parasite autour de lui. Les champs parasites peuvent interférer avec d'autres équipements et opérations dans l'accélérateur, donc minimiser cet effet est très souhaitable.

#Défis de refroidissement

Dans tout système électrique, le refroidissement est crucial pour éviter des dommages dus à une chaleur excessive. Les systèmes de refroidissement d'origine dans les aimants DC de CEBAF étaient compliqués et sujets à des problèmes comme des obstructions. Quand l'eau utilisée pour le refroidissement obstruait le système, cela pouvait entraîner des temps d'arrêt importants pour les réparations. En réduisant la densité de courant, la nouvelle conception diminue la génération de chaleur et simplifie les exigences de refroidissement, ce qui rend la gestion plus facile.

#Avancer vers une énergie de 22 GeV

L'objectif d'augmenter la capacité énergétique des faisceaux d'électrons de 11 GeV à 22 GeV signifie que la conception des aimants septum doit évoluer. La nouvelle conception a été proposée pour accueillir cette énergie plus élevée, permettant au site de continuer à faire progresser ses capacités. Cela implique d'examiner comment la nouvelle conception peut être intégrée à l'infrastructure actuelle et comment les aimants existants peuvent être modifiés sans une rénovation extensive.

#Introduction de nouvelles technologies

Des matériaux innovants comme le diborure de magnésium (MgB2) et l'oxyde de bismuth strontium calcium cuivre (Bi-2223) offrent des solutions potentielles pour des applications supraconductrices. Ces matériaux peuvent fonctionner à des températures plus élevées que les supraconducteurs traditionnels, ce qui les rend plus pratiques pour une utilisation dans des environnements à haute énergie comme CEBAF.

Bien que de nombreux défis demeurent, l'introduction de ces matériaux représente une opportunité excitante pour améliorer la performance des aimants septum et d'autres composants dans les accélérateurs de particules.

#Conclusion

Le travail en cours à CEBAF est un exemple de la façon dont l'ingénierie et la conception peuvent s'adapter pour répondre aux besoins évolutifs de la physique des particules. En réduisant la densité de courant dans les aimants septum, le site peut améliorer à la fois l'efficacité et l'efficacité de ses opérations. Ces modifications sont cruciales pour faire avancer la recherche et garantir que CEBAF continue d'être un leader dans la technologie d'accélération des particules.

Une exploration continue dans la science des matériaux et les conceptions magnétiques va certainement conduire à davantage d'avancées, permettant aux installations de repousser les limites de ce qui est possible dans la recherche en physique des particules. Alors que les scientifiques et les ingénieurs travaillent ensemble pour affiner ces systèmes, ils contribuent à une compréhension plus profonde de la physique fondamentale et de l'univers qui nous entoure.