Cryogenics for LHC experiments
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Description
Cryogenic systems will be used by LHC experiments to maximize their performance. Institutes around the world are collaborating with CERN in the construction of these very low temperature systems.
The cryogenic test facility in hall 180 for ATLAS magnets.
High Energy Physics experiments have frequently adopted cryogenic versions of their apparatus to achieve optimal performance, and those for the LHC will be no exception. The two largest experiments for CERN's new flagship accelerator, ATLAS and CMS, will both use large superconducting magnets operated at 4.5 Kelvin - almost 270 degrees below the freezing point of water. ATLAS also includes calorimeters filled with liquid argon at 87 Kelvin.
For the magnets, the choice of a cryogenic version was dictated by a combination economy and transparency to emerging particles. For the calorimeters, liquid argon was selected as the fluid best suited to the experiment's physics requirements.
High Energy Physics experiments are the result of worldwide collaborations and, according to Giorgio Passardi, Head of the LHC-ECR group, this is also true of the associated cryogenics for LHC detectors. In total 10 external institutes from Europe, the USA, and Japan are collaborating with CERN in designing, constructing, and testing the various cryogenic systems.
Work on cryogenics for LHC experiments started in 1995. The unprecedented size and complexity of the detectors required several design iterations to achieve the present status of the cryogenic projects, with most of the main components in an advanced phase of technical specification or construction.
Two large buildings at CERN are currently being equipped with cryogenic facilities where all the cryogenic components will pass surface tests prior to final installation in the underground experimental areas.
In West Area building 180, dedicated cryogenic facilities have been completed or are being prepared for testing ATLAS's liquid argon calorimeter system (a barrel and two end-caps), its two end-cap toroid magnets, and its central solenoid magnet as single unit.
For the barrel toroid, the eight coils making the final magnet will be individually tested in sequence. This is because the very large size of the fully assembled magnet system does not allow it to be mounted at the surface before transfer underground. First cryogenic tests in the West Area started at end of 2000 and completion is expected for 2004.
In a new surface building at Point 5 near Cessy, the CMS solenoid will be fully assembled and tested with its final cryogenic system. Delivery of the first components of the external helium refrigeration system is expected by the end of 2001, and commissioning will be completed by the first half of 2002.
These facilities provide cryogenic test conditions identical to those of the final configuration. They are being used to fully validate the adopted cooling schemes for the two experiments. A third cryogenic facility has been operational since 1998 in building 887 (EHN1 at Prevessin) for three separate beam test stations for ATLAS liquid argon calorimeter modules.
Other (French)
Des systèmes cryogéniques seront utilisés par les expériences du LHC pour optimiser leur performances. Des instituts du monde entier collaborent avec le CERN pour construire ces systèmes de très basses températures.
Installation cryogénique pour tester des aimants d'ATLAS au bâtiment 180.
En physique des hautes énergies, on a souvent eu recours aux versions cryogéniques des équipements afin d'obtenir une performance optimale. Les expériences du LHC n'échapperont pas à la règle. ATLAS et CMS, les deux plus importantes expériences du nouvel accélérateur vedette du CERN, utiliseront l'une et l'autre de grands aimants supra-conducteurs fonctionnant à 4,5 kelvins - soit presque 270 degrés en dessous de la température de congélation de l'eau. ATLAS comprendra également des calorimètres remplis d'argon liquide à 87 kelvins.
Pour les aimants, le choix d'une version cryogénique a été dicté par des raisons économiques mais aussi de transparence aux particules générées par les collisions. S'agissant des calorimètres, on a retenu l'argon liquide, car c'est le fluide le mieux adapté aux exigences des expériences de physique.
Les expériences en physique des hautes énergies sont le fruit de collaborations internationales et, si l'on en croit Giorgio Passardi, Chef du groupe LHC-ECR, cela vaut également pour la cryogénie des détecteurs du LHC. Au total, dix instituts extérieurs d'Europe, des Etats-Unis et du Japon collaborent avec le CERN à la conception, à la construction et aux essais des différents systèmes cryogéniques.
Les travaux sur la cryogénie des expériences du LHC ont débuté en 1995. La conception des détecteurs, du fait de leur taille et de leur complexité sans précédent, a dû être modifiée à plusieurs reprises avant d'aboutir à l'état actuel des projets cryogéniques. Les principaux éléments sont actuellement pour la plupart à un stade avancé de leur spécification technique ou de leur construction.
Deux grands bâtiments du CERN sont actuellement équipés d'installations cryogéniques qui serviront à réaliser les essais en surface de tous les éléments avant leur installation définitive dans les zones d'expérimentation souterraines.
Dans le bâtiment 180 de la zone Ouest, des installations cryogéniques ont été spécialement réalisées ou sont en préparation afin de tester ensemble les parties du calorimètre à argon liquide (un tonneau et deux bouchons), les deux aimants toroïdaux des bouchons et l'aimant solénoïdal central d'ATLAS.
Pour l'aimant toroïdal du tonneau, les huit bobines constituant l'aimant définitif seront testées individuellement et successivement. L'imposante taille du système magnétique assemblé ne permet en effet pas un montage en surface avant le transfert en sous-sol. Les premiers essais cryogéniques dans la zone ouest ont commencé fin 2000 et devraient s'achever en 2004.
Le solénoïde de CMS sera entièrement assemblé et testé avec son système cryogénique définitif dans un nouveau bâtiment de surface situé au Point 5, près de Cessy. La livraison des premiers éléments du système externe de réfrigération d'hélium est prévue d'ici la fin 2001, la mise en service devant être terminée à la mi-2002.
Ces installations fournissent des conditions d'essais cryogéniques identiques à celles de la configuration définitive. Elles servent à valider une fois pour toutes les systèmes de refroidissement adoptés pour les deux expériences. Une troisième installation cryogénique est opérationnelle depuis 1998 dans le bâtiment 887 (EHN1 à Prévessin) pour trois stations d'essai distinctes avec des faisceaux pour les modules du calorimètre à argon liquide d'ATLAS.
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Identifiers
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- 45121
- CDS Report Number
- BUL-NA-2001-034
- Aleph number
- 000006603MMD
Related works
- Is referenced by
- Other: ADMBUL_0021038 (Other)