Le nouvel absorbeur du Supersychrotron à protons prend forme
Publié par Adrien le 19/08/2019 à 08:00
Source: CERN
Le Supersynchrotron à protons recevra un nouvel arrêt de faisceaux avant la fin du deuxième long arrêt du complexe d'accélérateurs du CERN.

D'ici la fin du deuxième long arrêt (LS2) du complexe d'accélérateurs du CERN, un objet de neuf mètres de long, doté d'un blindage de plusieurs tonnes, sera installé autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis,...) de la ligne de faisceau du Supersychrotron à protons (SPS). Cet objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les...), qui sera le plus long des composants du SPS, n'est pas anodin: il contient le nouvel arrêt de faisceaux du SPS, conçu pour absorber les faisceaux de particules dont la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) dans le SPS doit être stoppée. Au coeur de ce dispositif complexe se trouveront les véritables éléments d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait...), contenant du graphite, du molybdène et du tungstène (Le tungstène est un élément chimique du tableau périodique de symbole W (de l'allemand Wolfram) et de numéro atomique 74.). Cette partie centrale sera entourée d'une gaîne faite de couches de béton (Le béton est un matériau de construction composite fabriqué à partir de granulats naturels (sable, gravillons) ou artificiels (granulats...), de blindage en fonte (peint en vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde comprise entre 490 et 570 nm. L'œil humain possède...), selon le code de couleurs du CERN) et de marbre (Le marbre est une roche métamorphique dérivée du calcaire, existant dans une grande diversité de coloris, pouvant présenter des veines, ou marbrures (veines...). Ce nouvel arrêt de faisceaux, qui contribuera à absorber des faisceaux de particules d'une vaste gamme d'énergies (de 14 à 450 GeV), est construit 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’une grande diversité de...) d'amélioration des injecteurs du LHC (LIU).

L'ancien arrêt de faisceaux du SPS (situé au point (Graphie) 1 de l'anneau de l'accélérateur) est remplacé par un nouveau, au point 5, en prévision du LHC à haute luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.) (HL-LHC). Étant donné que l'ancien dispositif n'aurait pas été en mesure de supporter les intensités de faisceaux plus élevées exigées pour le HL-LHC, qui entrera en service en 2026, l'équipe du SPS a décidé il y a cinq ans de construire un nouvel arrêt de faisceaux présentant les propriétés requises. Cela était nécessaire car, avec les intensités plus élevées à venir, le dispositif d'arrêt sera soumis pendant sa durée de vie (La vie est le nom donné :) à des forces mécaniques bien plus grandes, et devra donc être plus robuste que le dispositif précédent.

"Nous avons envisagé de construire un dispositif d'arrêt externe, hors du tunnel du SPS, semblable à celui dont dispose le LHC", explique Étienne Carlier, du département Technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) du CERN. "Mais la gamme étendue et dynamique de faisceaux que fournit le SPS rendrait impossible l'extraction des différents faisceaux avec un seul système. Nous avons donc décidé d'utiliser un dispositif d'arrêt interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou...), qui fasse partie intégrante du SPS." La construction de cet absorbeur de faisceaux est l'une des tâches les plus importantes réalisées dans le cadre du projet LIU (Liu (chinois : 柳宿, pinyin : liǔ xiù) est une loge lunaire de l'astronomie chinoise. Son étoile référente (c'est-à-dire celle qui délimite la...), et environ 125 mètres du tunnel du SPS seront modifiés pour lui faire de la place. Plusieurs défis nous attendent, notamment en ce qui concerne l'infrastructure requise, qui comprend de nouveaux aimants de déflexion rapide, un système optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) pour le suivi de la position du faisceau, et des systèmes de refroidissement et de ventilation.

Les aimants de déflexion rapide situés en amont d'un arrêt de faisceaux d'un accélérateur sont responsables de faire dévier le faisceau de sa trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) habituelle pour l'envoyer vers le bloc d'arrêt. Ils doivent pour ce faire générer, à un instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une...) précis, les impulsions électromagnétiques appropriées, dans le plan horizontal (Horizontal est une orientation parallèle à l'horizon, et perpendiculaire à la verticale. Une ligne horizontale va « de la gauche vers la droite » ou vice versa.) et dans le plan vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en accords plaqués.). Le système des aimants de déflexion rapide verticaux crée une impulsion maximale de 650 MW pendant une révolution du SPS, avec l'aide du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit...) générateur d'impulsions le plus puissant construit au CERN. Ce système utilise deux interrupteurs à semi-conducteurs redondants de 36 kV, nouvellement développés, qui fonctionneront en parallèle pour la protection de la machine, afin de transmettre à l'aimant (Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le champ rémanent et l'excitation coercitive sont grands (voir ci-dessous). Cela lui donne des propriétés particulières comme...) l'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.) stockée. "L'aimant de déflexion rapide dévie et dilue le faisceau de sorte qu'il puisse être absorbé le long du coeur de l'arrêt de faisceau", précise Étienne Carlier. "Et comme il doit toujours dévier le faisceau vers le même angle, indépendamment de l'énergie de celui-ci, la 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 pour être...) accumulée dans la batterie de condensateurs est proportionnelle à l'énergie des faisceaux en circulation."


Un interrupteur de l'aimant de déflexion rapide (Image: CERN)

Les opérateurs du SPS doivent savoir si les faisceaux sont arrêtés correctement ou non, en observant leur forme et leur répartition lorsqu'ils pénètrent dans le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) du dispositif d'arrêt. "Nous avons besoin de cette information pour savoir si l'absorbeur a un profil thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des...) uniforme lorsque les faisceaux y entrent", poursuit Étienne Carlier. Le profil du faisceau sera enregistré au moyen d'un écran (Un moniteur est un périphérique de sortie usuel d'un ordinateur. C'est l'écran où s'affichent les informations saisies ou demandées par l'utilisateur et générées ou restituées par...) installé sur la trajectoire des faisceaux qui sont arrêtés, dans le cadre d'un système de "télévision (La télévision est la transmission, par câble ou par ondes radioélectriques, d'images ou de scènes animées et généralement sonorisées qui sont reproduites sur un poste récepteur appelé téléviseur (ou, par abus de...) pour l'instrumentation (Le mot instrumentation est employé dans plusieurs domaines :) de faisceau". Ce système complexe est formé d'une ligne optique de 17 m de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet...) et de cinq miroirs optiques de haute qualité, qui transfèrent l'image du faisceau de l'écran à une caméra (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil de prise de vues animées, pour le cinéma, la télévision ou la vidéo.) soigneusement blindée située à l'extérieur de l'absorbeur, que les opérateurs peuvent suivre à distance en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) réel.

L'arrêt de faisceaux aura un secteur de vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) spécialement consacré, qui entourera l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise...) de la structure. Le coeur du dispositif sera entouré d'un blindage en cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces...) et il sera refroidi par eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), tandis qu'un système de ventilation, en plus de contribuer au refroidissement, empêchera que l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions et autres...) soit activé par le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) au coeur du dispositif. Après le LS2 et avant que le SPS reçoive les faisceaux, l'absorbeur fera l'objet d'une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) d'étuvage dans le tunnel, pendant laquelle le graphite composant sa partie interne sera chauffé à 200 °C. Plus tard, pendant l'exploitation de la machine, le bloc de l'arrêt sera chauffé à des températures plus élevées, sous l'impact des faisceaux, et la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) à l'intérieur de l'absorbeur augmentera temporairement jusqu'à ce que les blocs soient conditionnés.

Les préparatifs visant à accueillir la gigantesque structure sont en cours dans les cavernes souterraines et les tunnels du complexe du SPS, tandis que l'absorbeur lui-même prend forme en surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...). La structure d'appui contre laquelle le dispositif sera placé est actuellement assemblée dans la caverne appelée ECX5, qui avait accueilli auparavant le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été...) UA1. Cette structure doit être composée d'un béton spécial, contenant des niveaux de cobalt et d'europium extrêmement faibles ; ces éléments sont facilement activés par les rayonnements, et ils resteraient donc longtemps chauds. Les éviter revient cher, mais cela permet que la structure d'appui n'absorbe pas trop de rayonnement pendant la durée de vie de l'absorbeur. La base de la structure d'appui sera fixée au sol, tandis que la couche située juste au-dessous de l'absorbeur sera composée de blocs de béton mobiles.

Les 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...) doivent durer jusqu'à la fin de cette 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.), après quoi l'arrêt de faisceaux commencera à être assemblé dans sa future demeure. Pendant les mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) restant du LS2, l'absorbeur et les services associés seront préparés en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) des faisceaux qui arriveront en 2021, quand le LHC entamera sa troisième période d'exploitation.

Plus de photos du blindage de l'arrêt de faisceaux sur CDS: cds.cern.ch/record/2677262
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