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Les défis du LHC, le nouveau collisionneur de hadrons au CERN

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Présentation au sujet: "Les défis du LHC, le nouveau collisionneur de hadrons au CERN"— Transcription de la présentation:

1 Les défis du LHC, le nouveau collisionneur de hadrons au CERN
J.-P. Koutchouk CERN/Technologie d’accélérateur

2 Choix de conception et paramètres
L’essentiel du LHC Choix de conception et paramètres Aspects de la dynamique des faisceaux Aspects des solutions technologiques Etat de la mise en route Conclusions 3/30/2017 seminaire SFEN

3 1.1- Introduction Par son énergie et luminosité, le LHC va permettre d’accéder à un nouveau domaine de la physique, au delà du Modèle Standard (exposé précédent). Du point de vue des sciences d’accélérateurs, le LHC est une combinaison unique de défis théoriques, conceptuels et technologiques, mobilisant le CERN ainsi que de nombreux laboratoires et industries dans le monde entier. Le but de cet exposé est de donner une impression générale sur les défis et les réponses choisies pour réaliser ce collisionneur. 3/30/2017 seminaire SFEN

4 1.2- Performance nominale
x 7 x 100

5 1.3 Emplacement (surface)
3/30/2017 seminaire SFEN

6 1.4 Emplacement (profondeur)

7 1.5 Structure du collisionneur
3/30/2017 seminaire SFEN

8 1.6 Complexe d’injection

9 1.7 Principe d’opération Cyclage des aimants, injection et accumulation de 12 “faisceaux” dans chaque anneau du LHC. Les deux faisceaux sont séparés dans les sections communes (environ 30 minutes). Accélération de 450 GeV à 7000 GeV (20 minutes) Augmentation forte de la focalisation aux points de collisions (“beta squeeze”). Mise en collision des faisceaux et prise de données pendant environ 8 à 10 heures. Décharge des faisceaux sur les blocs absorbeurs. 3/30/2017 seminaire SFEN

10 Choix de conception et paramètres
L’essentiel du LHC Choix de conception et paramètres Aspects de la dynamique des faisceaux Aspects des solutions technologiques Etat de la mise en route Conclusions 3/30/2017 seminaire SFEN

11 ! Maximiser énergie et luminosité tout en maitrisant les coûts!
2.1- Choix de conception ! Maximiser énergie et luminosité tout en maitrisant les coûts! Energie: dans le tunnel existant du LEP (27 km), elle est proportionnelle au champ de guidage. Ceci requiert la technologie des aimants supraconducteurs. Luminosité: en présence de très nombreuses contraintes et limitations: 3/30/2017 seminaire SFEN

12 2.2- Termes de l’optimisation
Performance des supraconducteurs et “industriabilité”, Tolérance des aimants aux pertes partielles de faisceaux, Qualité de champ au 1/10000, Limite faisceau-faisceau sur Np/σ*, Limite de stabilité collective (Np, kb), Limite de charge thermique due aux faisceaux nominaux, Risque de transition résistive et de dommage, Limite de focalisation due aux aberrations optiques linéaires et non-linéaires, Respect des limites d’ouverture des aimants, …et beaucoup d’autres….dont bien évidemment les coûts. 3/30/2017 seminaire SFEN

13 2.3- Parametres optimises
Champ magnétique/Energie: 8.3 Tesla nominal à 1.9K, (9 Tesla maximum ): 14 TeV centre-de-masse, marge de température de 1.4 K, soit < 30 mJ/cm3 . Luminosité de 1034 cm-2s-1 avec τ = 15 heures Intensité: ppp × 2808 (25 ns spacing), 360 MJ par faisceau, avec amélioration des injecteurs, systèmes d’amortissement des instabilités collectives, chambre à vide à 2K doublée d’un écran à 10K, et un système très complet de collimation et de protection des composants de la machine. Taille du faisceau: σ*= 16 μm et σmax= 1.5 mm, obtenu grâce à un triplet focalisant de 24 m et de 215 T/m et un système développé de correction d’aberration optique. 3/30/2017 seminaire SFEN

14 2.4a- Et aussi 1232 dipoles de 15 m de long, 30 tonnes, à 1.9K.
2 anneaux combinés dans le même cryostat. 1232 dipoles de 15 m de long, 30 tonnes, à 1.9K. 474 lentilles de focalisation supraconductices, 3 à 9m de long, à 1.9 K ou 4.5 K. 7612 aimants de corrections du dipôle au 12-pôle. Ultra-vide sur 2×27km (10-13 bar), pompes, cryopompage et NEG. 1000 moniteurs de position de faisceau et beaucoup d’autres systèmes d’observation. 3/30/2017 seminaire SFEN

15 2.4b- Et aussi Cryogénie: tonnes de composants maintenus à 1.9 K grâce à 120 tonnes d’hélium refroidi, 170 kW de pouvoir réfrigérant à 4.5 K K. Accélération RF par 2×8 cavités supraconductrices de 2 MV à 400 MHz. Faisceau de 360 MJ, (80 kg de TNT), dont les pertes sont controlées au 1/10000 par 120 collimateurs en 3 étages, 1000 détecteurs de pertes et un système de décharge ultra-rapide. 3/30/2017 seminaire SFEN

16 Choix de conception et paramètres
L’essentiel du LHC Choix de conception et paramètres Aspects de la dynamique des faisceaux Aspects des solutions technologiques Etat de la mise en route Conclusions 3/30/2017 seminaire SFEN

17 3.1- Les défis de la dynamique de faisceau
Les défis particuliers au LHC sont liés aux non-linéarites d’ordres élevés: Stabilité des trajectoires à l’injection (maximum des erreurs de champ) Effet disruptif de l’interaction faisceau-faisceau La haute intensité de faisceau apporte aussi sa moisson de phénomènes: Instabilités collectives Création d’un nuage d’électrons, … 3/30/2017 seminaire SFEN

18 3.2- La qualité de champ Par nature, les aimants supra-conducteurs ont une qualité de champ moindre. De grands efforts dans la conception, fabrication et suivi qualité des aimants ont permis des objectifs très ambitieux: 3/30/2017 seminaire SFEN

19 3.3- La dynamique perturbée
Section espace des phases {x, px} Afin d’éviter une diffusion, il faut corriger les ordres supérieurs avec les milliers d’ aimants de correction (4 à 10 pôles), organisés souvent en familles. 3/30/2017 seminaire SFEN

20 3.4 L’effet disruptif de l’interaction faisceau-faisceau
Les collisions produisent la luminosité, mais aussi une forte perturbation de la dynamique, qui est la limite de performance du LHC: lorsque l’intensité est augmentée au delà d’un seuil assez bien défini, on observe des phénomènes variés dégradant ou empêchant la prise de données: c’est la limite faisceau-faisceau. Elle n’est que qualitativement comprise et d’une nature très complexe. La conception du LHC est fondée sur l’experience du SpS et Tevatron avec une bonne marge de sécurité. 3/30/2017 seminaire SFEN

21 30 “long-range interactions” par IP, 120 au total
3.5 Schéma de croisement L’angle est de 0.02 degré 30 “long-range interactions” par IP, 120 au total

22 3.6 L’effet disruptif de l’interaction faisceau-faisceau
Transition vers le chaos 3/30/2017 seminaire SFEN

23 3.7- Conclusion sur la dynamique de faisceau
Cette dynamique est riche et complexe, et a été étudiée avec beaucoup de soin, au CERN et également en collaboration (US-LHC). L’instrumentation de faisceau a été prévue à la hauteur de cette complexité. Nous sommes donc optimistes. 3/30/2017 seminaire SFEN

24 Choix de conception et paramètres
L’essentiel du LHC Choix de conception et paramètres Aspects de la dynamique des faisceaux Aspects des solutions technologiques Etat de la mise en route Conclusions 3/30/2017 seminaire SFEN

25 7000 km de câbles supraconducteurs Nb-Ti
4.1a- Le câble supraconducteur Nb-Ti 7000 km de câbles supraconducteurs Nb-Ti Inner Cable Outer Number of strands 28 36 Strand diameter 1.065 mm 0.825 mm Filament diameter 7 µm 6 µm Number of filaments ~ 8900 ~ 6520 Cable width 15.1 mm Mid-thickness 1.900 mm 1.480 mm Transposition length 115 mm 100 mm Ratio Cu/Sc ≥ 1.6 ≥ 1.9

26 4.1b- Le dipôle supraconducteur 2-en 1
Construction des masses froides: Alstom-Jeumont, Ansaldo, Babcock Noell N. 26 25 March 2003

27 4.1c- La motivation pour 1.9K + 3 tesla

28 4.1d- La mise en cryostat

29 4.1e- Le défi des interconnexions
20 superconducting bus bars 600 A for corrector magnets (minimise dipole field harmonics) 6 superconducting bus bars 13 kA for B, QD, QF quadrupole 13 kA Protection diode To be connected: Beam tubes Pipes for helium Cryostat Thermal shields Vacuum vessel Superconducting cables 42 sc bus bars 600 A for corrector magnets (chromaticity, tune, etc….) + 12 sc bus bars for 6 kA (special quadrupoles) Lucio Rossi - Superc. Mag. 25 March 2003

30 4.2a- Principe de refroidissement des aimants du LHC à l’He superfluide
Défis et progrès du LHC PhL

31 L. Tavian – LHC Cryogenics
4.2b- Réfrigérateurs 4.5 K Refrigerators ( K) 1.8 K refrigeration units ( K) 14 May 2008 L. Tavian – LHC Cryogenics

32 Photo gallery: Storage and distribution
Vertical transfer line GHe storage LN2 storage Cryo-magnet Distribution line (QRL) Interconnection box 14 May 2008 L. Tavian – LHC Cryogenics

33 4.3a- L’écran de faisceau Interception des charges thermiques induites par le faisceau à 5-20 K (capillaires refroidis à l’hélium supercritique) Baffle de cryopompe protégeant la surface à 1,9 K du rayonnement incident Surface en dents de scie à faible réflectivité sur l’équateur pour réduire le nuage d’électrons Défis et progrès du LHC PhL

34 4.3a- Le cryo-pompage au LHC
FINAL EQUILIBRIUM PRIMARY DESORPTION => COVERAGE INCREASE=> SECONDARY DESORPTION=> PRESSURE=> GAS FLOW TO COLD BORE EQUILIBRIUM : PRIMARY DESORPTION ~ FLOW TO COLD BORE PUMPING SURFACES MUST BE PROTECTED AGAINST ENERGETIC PARTICLE IMPACT

35 Choix de conception et paramètres
L’essentiel du LHC Choix de conception et paramètres Aspects de la dynamique des faisceaux Aspects des solutions technologiques Etat de la mise en route Conclusions 3/30/2017 seminaire SFEN

36 longueur de ligne testée ~ 2.5 km
plus de 400 aimants Points vérifiés: alignement géométrie optique polarités réglages de courant contrôle-commande Défis et progrès du LHC PhL

37 Powering activities + Cooling sectors + Preparation for cool-down
Sectors cooling 1 2 3 4 5 6 ‘’7,8’’ Short in connection cryostats and repairs Open Days Christmas and water maintenance shut-down 1 2 3 Sectors < 2 K Powering activities + Cooling sectors + Preparation for cool-down LHC Cryogenics - Status for ICC SC - 21May'08

38 6.1- Conclusions Le LHC est la machine la plus complexe construite au CERN, du point de vue de la technologie et, probablement, de la dynamique des faisceaux et des performances. Avec bien sur des difficultés et surprises liées à cette grande complexité, le LHC arrive à quelques mois du démarrage, après validation de tous les sous-systèmes. Les tests d’intégration et de mise en froid se succèdent à cadence élevée, avec, en perspective, l’injection de faisceau cet été. La “masse critique” d’un laboratoire européen et international aura été déterminante pour faire face à l’ampleur du projet et ainsi amener le centre de gravité de la physique fondamentale et de sa haute technologie en Europe. Mais ceci n’est pas la fin de l’histoire… 3/30/2017 seminaire SFEN

39 6.2 - Le potentiel de développement
Multiplier par 10 la luminosité LHC baseline SLHC LHC+ & SLHC 3/30/2017 seminaire SFEN


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