Les deux premiers accélérateurs redémarrent

CERN  LHC 
Publié par Redbran le 07/08/2020 à 13:00
Source: CERN
Fin du deuxième long arrêt pour le Booster du PS qui est le premier accélérateur avec le Linac 4 à être mis en service.


La zone où se croisent la ligne d'injection du faisceau dans le Booster du PS (à droite) et la ligne d'extraction du faisceau vers le PS (à gauche). Ces deux lignes de transfert ont été entièrement changées. On aperçoit la boucle du Booster sur la gauche (Image: CERN)

Le Centre de contrôle (Un centre de contrôle, dans le domaine de l'astronautique, est une salle d'où sont coordonnées les actions qui concourent à l'accomplissement d'une mission spatiale telles qu'un...) du CERN retrouve l'ambiance des "shifts", des écrans sur lesquels défilent les caractéristiques des faisceaux et des cafés à toute heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en sciences...) du jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil...) ou de la nuit. Vendredi 3 juillet, l'équipe chargée de la coordination du deuxième long arrêt technique (LS2) dans les accélérateurs a remis la clé du Booster du PS aux opérateurs des accélérateurs. Le Linac 4 et le Booster du PS sont ainsi les deux premiers accélérateurs à être mis service, un an et demi après le début du LS2.

La remise en service sera cependant plus complexe qu'un simple tour de clé. Lorsqu'ils ont confié le Booster aux équipes du LS2, les opérateurs conduisaient un modèle du siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et faisait 33 ans 4 mois (d'où peut...) dernier. Les voilà maintenant au volant d'un bolide (On appelle bolide, ou météore, la rentrée atmosphérique d'un météoroïde de masse importante, produisant une traînée lumineuse intense jusque dans la stratosphère.) métamorphosé. Le moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail à partir d'une énergie...) (l'alimentation et les convertisseurs de puissance), l'accélérateur (les cavités radiofréquence), la direction (les aimants), l'injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :), le circuit de refroidissement, les systèmes de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) et de sécurité, etc., un très grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'équipements ont été changés ou améliorés (voir ci-dessous). "Environ 40% de la machine a été remplacée", indique David Hay, le "garagiste en chef", autrement dit l'ingénieur (« Le métier de base de l'ingénieur consiste à résoudre des problèmes de nature technologique, concrets et souvent complexes, liés à la...) chargé de la coordination des activités LS2 pour le Booster du PS.

Menés dans le cadre du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration...) d'amélioration des injecteurs du LHC (LIU), les travaux sur l'accélérateur quasi cinquantenaire répondent à deux exigences: accélérer des particules à plus haute énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) en provenance du tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) nouveau Linac 4 et augmenter la brillance du faisceau, autrement dit sa concentration en particules.


David Hay, chargé de la coordination du LS2 pour le Booster du PS, remet une clé symbolique à Bettina Mikulec, chargée de l'équipe d'exploitation du Booster du PS et du Linac 4 (BE-OP-PSB). À gauche, Julie Coupard, responsable de la coordination du LS2 pour les injecteurs, à droite, Gian Piero Di Giovanni, responsable du projet LIU pour le Booster du PS, et Rende Steerenberg, chef du groupe Opérations (BE-OP) (Image: Maximilien Brice/CERN)

Le Linac 4, nouveau premier maillon (Le maillon en language maritime est une longueur de chaîne (ligne de mouillage), qui mesure 15 brasses soit 27,50 m. L'élément de base de la chaîne est appelé maille. Les maillons sont reliés entre eux par une maille démontable. Un grand...) de la chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :), porte des ions hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) négatifs (des protons entourés de deux électrons) à une énergie de 160 MeV (contre 50 MeV auparavant avec les protons du Linac 2). L'énergie relevée et le nouveau système d'injection, convertissant les ions H- en protons, permettent d'augmenter la brillance d'un facteur deux. À dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa...) égale, le faisceau sera ainsi formé de deux fois plus de particules. Afin de conserver cette brillance dans le PS, l'accélérateur suivant, le Booster, augmentera l'énergie jusqu'à 2 GeV (contre 1,4 GeV auparavant), grâce à son tout nouveau système d'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une...).

Les effets de répulsion électrique entre les particules de même charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire...) (répulsion coulombienne) sont en effet d'autant moins grands que l'énergie augmente. Autrement dit, l'énergie concoure à maintenir les particules groupées et donc la brillance. Or qui dit plus de brillance, dit plus de luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.). "Le Booster est une machine-clé pour augmenter la luminosité du LHC", explique Gian Piero Di Giovanni, responsable du projet LIU pour le Booster du PS. "La brillance du faisceau est en effet déterminée par cet accélérateur." Le nouveau mode d'injection avec des ions H- et l'énergie plus élevée permettent par ailleurs de réduire considérablement les pertes de particules. "Nous n'aurons que 1 à 2% de perte à l'injection, contre plus de 30% avec l'ancien système", indique Gian Piero Di Giovanni.

Le chantier du Booster a duré 20 mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) en surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière...) et 18 mois en souterrain. Malgré l'ampleur des rénovations, les difficultés rencontrées notamment pour certains travaux de génie civil (Le Génie civil représente l'ensemble des techniques concernant les constructions civiles. Les ingénieurs civils s’occupent de la conception, de la réalisation, de l’exploitation et de la...) ou le système de refroidissement des cavités RF, et le confinement qui a gelé les activités pendant deux mois, le projet a été bouclé dans les temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.). Un exploit que l'on doit à l'engagement des équipes et à une coordination minutieuse et réactive.

La mise en service des nouveaux systèmes a commencé depuis plusieurs semaines, localement. Les opérateurs prennent maintenant le contrôle avec de nouveaux logiciels de contrôle haut niveau. "Nous avons développé pendant deux années l'intégration de ces nouveaux systèmes", souligne Bettina Mikulec, qui supervise l'exploitation du Booster et du Linac 4. "Il faut maintenant mettre en service et tester tous les sous-systèmes depuis le Centre de contrôle et les faire fonctionner de concert." Cette mise en service complexe durera plusieurs mois, d'abord sans particules. Tandis que le Linac 4 reprendra les tests avec faisceaux cet été, les premières particules devraient circuler dans le Booster du PS en toute fin d'année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.).

Les métamorphoses du Booster

- Alimentation: Un nouveau système d'alimentation, similaire à celui qui avait été installé pour le PS (POPS), basé sur des convertisseurs de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) et des condensateurs et dénommé POPS-B, a été installé en surface dans un nouveau bâtiment. Les convertisseurs de puissance alimenteront les aimants avec des intensités électriques de 5 500 ampères, contre 4 000 ampères auparavant. Depuis le premier long arrêt technique, plus de 95% des convertisseurs de puissance du Booster ont été changés. Quelque 318 nouveaux convertisseurs, allant de 1 kW à plusieurs MW, alimentent tous les équipements de l'accélérateur.

- Refroidissement: Le Booster bénéficie d'un nouveau système de refroidissement avec des tours de refroidissement dans deux bâtiments rénovés.

- Injection et éjection: Avec l'augmentation de l'énergie et l'utilisation d'ions hydrogène négatifs à l'injection, les lignes de transfert du Linac 4 vers le Booster et du Booster vers le PS ont été entièrement changées. Nouveaux aimants (à déflexion rapide, septa, dipôles, quadripôles et correcteurs), nouvelle instrumentation (Le mot instrumentation est employé dans plusieurs domaines :), nouveaux arrêts de faisceau. Du fait de ses quatre étages, le Booster requiert un système de distribution des particules particulièrement sophistiqué.

- Accélération: Le nouveau système d'accélération est formé de trois structures abritant chacune huit cavités à base d'un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...) magnétique dénommé FineMet.

- Aimants: Dans les lignes de transfert ou dans la boucle du Booster, une soixantaine d'aimants ont été remplacés ou rénovés.

- Sécurité et instrumentation: Toute une batterie de nouveaux capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la...), moniteurs de positionnement (On peut définir le positionnement comme un choix stratégique qui cherche à donner à une offre (produit, marque ou enseigne) une position crédible, différente et...) de faisceau, moniteurs de perte de faisceau, scanners à fils, etc. ont été installés pour surveiller et mesurer les faisceaux de particules. Des équipements pour arrêter le faisceau ou les particules qui s'éloignent de la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) rejoignent l'anneau. Parmi eux, un système de collimation (baptisé "absorber/scraper") est le dernier équipement installé dans le Booster. Leur tâche est d'autant plus cruciale que le faisceau est plus dense.

Regardez le live Instagram réalisé dans le Booster du PS juste avant la fermeture (Le terme fermeture renvoie à :) de l'accélérateur.
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