Contribution à la conception des bobinages supraconducteurs de type dipolaire en Nb3Sn pour les accélérateurs de particules

par Hélène Felice

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Alain Mailfert.

Soutenue en 2006

à Vandoeuvre-les-Nancy, INPL .


  • Résumé

    L'amélioration des accélérateurs de particules passe notamment par la mise en oeuvre de technologies complexes telles que celles des aimants supraconducteurs. L'un des paramètres clef dans la conception d'aimants est la précontrainte mécanique appliquée à température ambiante et qui assure la compression du bobinage pendant l'excitation. Dans les dipôles, la production de fortes inductions et la présence de grandes contraintes mécaniques se conjuguent mal avec la sensibilité des propriétés supraconductrices du Nb3Sn à la contrainte mécanique. La limite maximale de la contrainte mécanique que peut subir le Nb3Sn sans que ses propriétés ne soient dégradées est actuellement estimée aux alentours de 150 MPa, valeur encore très discutée au sein de la communauté scientifique. Quelle que soit cette valeur, des études préliminaires montrent que des contraintes de plus de 200 MPa dans des ouvertures de plus de 130 mm sont induites dans des configurations conventionnelles en cosinus théta, ce qui justifie le besoin de concevoir de nouvelles configurations magnétiques. La partie introductive de ce mémoire présente les enjeux et les défis technologiques auxquels doivent faire face les concepteurs d'aimants. La seconde partie propose une étude de nouvelles configurations de dipôles fondées sur l'intersection d'ellipses pour de grandes ouvertures (88, 130 et 160 mm) et forte induction (13 T). Après une étude théorique, une configuration magnétique 2D est détaillée et une étude mécanique est développée pour une ouverture de 130 mm. Dans la dernière partie, la conception d'un dispositif expérimental destiné à l'étude de l'influence de la précontrainte sur l'accommodation d'un aimant dipolaire en Nb3Sn à échelle réduite est détaillée. Les résultats du test ayant permis de valider la structure mécanique sont présentés

  • Titre traduit

    Contribution to the design of superconducting Nb3Sn dipole windings for particle accelerator


  • Résumé

    Improvement of particle accelerators relies on complex technologies suffi as the design and fabrication of superconducting magnets. A key parameter in magnet design is the mechanical pre-stress, applied at room temperature to insure compression of the coil during excitation. Ln dipole magnets, high field and high mechanical stresses in windings combined with the Nb3Sn stress sensitivity ask the question of the limit of the mechanical stress that the Nb3Sn can undergo without degradation. This limit estimated around 150 MPa is still discussed and has to be investigated. Whatever its value, preliminary studies show that conventional cosine theta design induces mechanical stresses (> 200 MPa) in large aperture (> 130 mm) and high field configurations, which underscore the need of alternative coil arrangements. The first part of this thesis gives an introduction to the issues and challenges encountered by the designers of superconducting magnets. The second part is devoted to the study of large aperture (88, 130 and 160 mm) and high field (13T) dipoles based on intersecting ellipses. After a theoretical study, a 2D magnetic design is detailed for each aperture and a mechanical study is developed for the 130 mm aperture dipole. Ln the last part, an experimental device dedicated to the study of the influence of the pre-stress on the training of subscale Nb3Sn dipole and to the investigation of the mechanical stress limit is presented. The design of this magnet is detailed and the result of the first test carried out with the structure is reported

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Informations

  • Détails : 1 vol. (211 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 205-210

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  • Bibliothèque : Université de Lorraine. Direction de la documentation et de l'édition. BU Ingénieurs.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2006 FELICE H.
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