A 120 mm Bore Quadrupole for the Phase I LHC Upgrade

The phase I LHC upgrade foresees the installation of a new final focusing for the high luminosity experiences in order to be able to focus the beams in the interaction points to ß* 0.25 cm. Key element of this upgrade is a large bore (120 mm) superconducting quadrupole. This article proposes a magnet design that will make use of the LHC main dipole superconducting cable. Due to the schedule constraints and to the budget restrictions, it is mandatory to integrate in the design the maximum number of features successfully used during the LHC construction. This paper presents this design option and the rationales behind the several technical choices

Superconducting Quadrupoles to increase the Luminosity of the Large Hadron Collider

Particle accelerators are essential tools for our understanding of the smallest constituents of the matter. Experimental results obtained by these machines coupled with theories set up over the years accumulated to what is today known as “the Standard Model” [88]. Developed in the early 1970s, the Standard Model has been so far used by physicists as a mean of understanding laws of sub-nuclear physics. The model will be tested at unprecedented energies in the CERN Large Hadron Collider (LHC), the largest and strongest particle accelerator ever built

Aimants quadripolaires supraconducteurs pour l'augmentation de la luminosité du grand collisionneur de hadrons

The main objective of the work presented in this thesis is the design of a quadrupole magnet based on Nb-Ti. It aims at replacing the current insertion quadrupoles used in the Large Hadron Collider (LHC) at CERN by 2014. This new quadrupole features an unprecedented large aperture (120 mm) and opens the way toward large aperture quadrupoles. First, to rapidly estimate the magnetic energy stored in a cos2-type quadrupole, an analytical formula based on the Fourier transform of the current is developed. It allows estimating the energy with a precision of 10 %. Secondly, the magnetic design of the quadrupole coil cross-section is realized using a novel optimization method based on analytical equations of the magnetic field. Subsequently, for the first time, an estimate of the reproducibility in the coil-blocks positioning in Nb3Sn magnets is given. The estimate has been obtained by using an existing method and from tow recently built Nb3Sn magnet series. A comparison with values obtained for Nb-Ti magnets is also presented. Following this, an analytical method based on statistics is developed. It makes possible to explain some phenomenon observed on the dispersion of the magnetic measurement in a quadrupole series. Finally, we show that the uncertainty in the mean of the magnetic field errors is for most of the harmonics related to statistical errors due to the limited number of magnets in the series, and not because of systematic defects in the coilLe travail effectué dans cette thèse a pour thème central la conception d'un aimant quadripolaire supraconducteur en Nb-Ti destiné à remplacer à l'horizon 2014 les aimants d'insertions actuellement utilisés dans le grand collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN de Genève. Ce nouveau quadripôle, caractérisé par un diamètre d'ouverture encore jamais atteint (120 mm), ouvre la voie vers les quadripôles à grandes ouvertures. Tout d'abord, pour rapidement estimer l'énergie magnétique stockée dans un quadripôle de type cos2, une formule analytique basée sur la décomposition en série de Fourier du courant et permettant d'estimer l'énergie avec une précision de 10 % est développée. Le design magnétique de la section transverse de la bobine du quadripôle est ensuite réalisé en utilisant une nouvelle méthode d'optimisation basée sur les équations analytiques du champ magnétique. Puis, pour la première fois, une estimation de la reproductibilité dans le positionnement des blocs de conducteurs dans des aimants Nb3Sn est faite. Elle a été réalisée à l'aide d'une méthode existante et grâce à la production récente de deux séries d'aimants Nb3Sn. Une comparaison avec les valeurs obtenues pour des aimants en Nb-Ti est présentée. Ensuite, une méthode analytique basée sur les statistiques et permettant d'expliquer certains phénomènes observés sur la dispersion des mesures magnétiques dans une série de quadripôles est développée. Enfin, on montre que l'incertitude sur la moyenne des harmoniques de champ est due pour la majorité des harmoniques à un phénomène statistique lié au nombre limité d'aimants dans la série et non à des erreurs systématique

Superconducting quadrupoles magnets for the large hadron collider luminosity upgrade

Le travail effectué dans cette thèse a pour thème central la conception d’un aimant quadripolaire supraconducteur en Nb-Ti destiné à remplacer à l’horizon 2014 les aimants d’insertions actuellement utilisés dans le grand collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN de Genève. Ce nouveau quadripôle, caractérisé par un diamètre d’ouverture encore jamais atteint (120 mm), ouvre la voie vers les quadripôles à grandes ouvertures. Tout d’abord, pour rapidement estimer l’énergie magnétique stockée dans un quadripôle de type cos2?, une formule analytique basée sur la décomposition en série de Fourier du courant et permettant d’estimer l’énergie avec une précision de 10 % est développée. Le design magnétique de la section transverse de la bobine du quadripôle est ensuite réalisé en utilisant une nouvelle méthode d’optimisation basée sur les équations analytiques du champ magnétique. Puis, pour la première fois, une estimation de la reproductibilité dans le positionnement des blocs de conducteurs dans des aimants Nb3Sn est faite. Elle a été réalisée à l’aide d’une méthode existante et grâce à la production récente de deux séries d’aimants Nb3Sn. Une comparaison avec les valeurs obtenues pour des aimants en Nb-Ti est présentée. Ensuite, une méthode analytique basée sur les statistiques et permettant d’expliquer certains phénomènes observés sur la dispersion des mesures magnétiques dans une série de quadripôles est développée. Enfin, on montre que l’incertitude sur la moyenne des harmoniques de champ est due pour la majorité des harmoniques à un phénomène statistique lié au nombre limité d’aimants dans la série et non à des erreurs systématiquesThe main objective of the work presented in this thesis is the design of a quadrupole magnet based on Nb-Ti. It aims at replacing the current insertion quadrupoles used in the Large Hadron Collider (LHC) at CERN by 2014. This new quadrupole features an unprecedented large aperture (120 mm) and opens the way toward large aperture quadrupoles. First, to rapidly estimate the magnetic energy stored in a cos2?-type quadrupole, an analytical formula based on the Fourier transform of the current is developed. It allows estimating the energy with a precision of 10 %. Secondly, the magnetic design of the quadrupole coil cross-section is realized using a novel optimization method based on analytical equations of the magnetic field. Subsequently, for the first time, an estimate of the reproducibility in the coil-blocks positioning in Nb3Sn magnets is given. The estimate has been obtained by using an existing method and from tow recently built Nb3Sn magnet series. A comparison with values obtained for Nb-Ti magnets is also presented. Following this, an analytical method based on statistics is developed. It makes possible to explain some phenomenon observed on the dispersion of the magnetic measurement in a quadrupole series. Finally, we show that the uncertainty in the mean of the magnetic field errors is for most of the harmonics related to statistical errors due to the limited number of magnets in the series, and not because of systematic defects in the coi

Superconducting quadrupoles magnets for the large hadron collider luminosity upgrade

Le travail effectué dans cette thèse a pour thème central la conception d un aimant quadripolaire supraconducteur en Nb-Ti destiné à remplacer à l horizon 2014 les aimants d insertions actuellement utilisés dans le grand collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN de Genève. Ce nouveau quadripôle, caractérisé par un diamètre d ouverture encore jamais atteint (120 mm), ouvre la voie vers les quadripôles à grandes ouvertures. Tout d abord, pour rapidement estimer l énergie magnétique stockée dans un quadripôle de type cos2?, une formule analytique basée sur la décomposition en série de Fourier du courant et permettant d estimer l énergie avec une précision de 10 % est développée. Le design magnétique de la section transverse de la bobine du quadripôle est ensuite réalisé en utilisant une nouvelle méthode d optimisation basée sur les équations analytiques du champ magnétique. Puis, pour la première fois, une estimation de la reproductibilité dans le positionnement des blocs de conducteurs dans des aimants Nb3Sn est faite. Elle a été réalisée à l aide d une méthode existante et grâce à la production récente de deux séries d aimants Nb3Sn. Une comparaison avec les valeurs obtenues pour des aimants en Nb-Ti est présentée. Ensuite, une méthode analytique basée sur les statistiques et permettant d expliquer certains phénomènes observés sur la dispersion des mesures magnétiques dans une série de quadripôles est développée. Enfin, on montre que l incertitude sur la moyenne des harmoniques de champ est due pour la majorité des harmoniques à un phénomène statistique lié au nombre limité d aimants dans la série et non à des erreurs systématiquesThe main objective of the work presented in this thesis is the design of a quadrupole magnet based on Nb-Ti. It aims at replacing the current insertion quadrupoles used in the Large Hadron Collider (LHC) at CERN by 2014. This new quadrupole features an unprecedented large aperture (120 mm) and opens the way toward large aperture quadrupoles. First, to rapidly estimate the magnetic energy stored in a cos2?-type quadrupole, an analytical formula based on the Fourier transform of the current is developed. It allows estimating the energy with a precision of 10 %. Secondly, the magnetic design of the quadrupole coil cross-section is realized using a novel optimization method based on analytical equations of the magnetic field. Subsequently, for the first time, an estimate of the reproducibility in the coil-blocks positioning in Nb3Sn magnets is given. The estimate has been obtained by using an existing method and from tow recently built Nb3Sn magnet series. A comparison with values obtained for Nb-Ti magnets is also presented. Following this, an analytical method based on statistics is developed. It makes possible to explain some phenomenon observed on the dispersion of the magnetic measurement in a quadrupole series. Finally, we show that the uncertainty in the mean of the magnetic field errors is for most of the harmonics related to statistical errors due to the limited number of magnets in the series, and not because of systematic defects in the coilNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Realization and First Test Results of the EuCARD 5.4-T REBCO Dipole Magnet

A high-temperature critical superconductor (HTS) dipole magnet relying on 12-mm REBCO tapes was built at CEA Saclay in 2016. Magnet studies had been started in the framework of the EuCARD High Field Magnet program and continued within a collaboration agreement between CEA-Saclay and CERN. The final goal is to generate 5.4 T at 4.2 K in the 13-T background field of the FRESCA2 Nb$_{3}$Sn dipole magnet. The HTS winding is made of three double-layer racetrack-type coils, wound from a stack of two double-layer REBCO tapes, stabilized with beryllium copper ribbons. Before it is installed inside the aperture of FRESCA2, at CERN, the magnet has been tested at CEA-Saclay in the standalone mode. In this paper, after a brief recall of the magnet design, we will report on the magnet manufacturing and the first powering tests results

Conceptual Design Report for a Beta-Beam Facility

The Beta-Beam is a concept of large-scale facility that aims at providing pure electronic neutrino and antineutrino beams for the measurement of electron and muon neutrino oscillations. Beta-decaying nuclides are produced in large amounts in a facility of the scale of EURISOL, and are then post-accelerated and stored at large gamma in a racetrack decay ring. We present here a conceptual design of the accelerator chain of a Beta-Beam based at CERN