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Les défis du LHC, le nouveau collisionneur de hadrons au CERN J.-P. Koutchouk CERN/Technologie daccélérateur.

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Présentation au sujet: "Les défis du LHC, le nouveau collisionneur de hadrons au CERN J.-P. Koutchouk CERN/Technologie daccélérateur."— Transcription de la présentation:

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

2 seminaire SFEN5/4/ Lessentiel du LHC 2.Choix de conception et paramètres 3.Aspects de la dynamique des faisceaux 4.Aspects des solutions technologiques 5.Etat de la mise en route 6.Conclusions

3 seminaire SFEN5/4/ Introduction Par son énergie et luminosité, le LHC va permettre daccéder à un nouveau domaine de la physique, au delà du Modèle Standard (exposé précédent). Du point de vue des sciences daccélérateurs, 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.

4 x 100 x Performance nominale

5 seminaire SFEN5/4/ Emplacement (surface)

6 1.4 Emplacement (profondeur)

7 seminaire SFEN5/4/ Structure du collisionneur

8 1.6 Complexe dinjection

9 seminaire SFEN5/4/ Principe dopération 1. 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). 2. Accélération de 450 GeV à 7000 GeV (20 minutes) 3. Augmentation forte de la focalisation aux points de collisions (beta squeeze). 4. Mise en collision des faisceaux et prise de données pendant environ 8 à 10 heures. 5. Décharge des faisceaux sur les blocs absorbeurs.

10 seminaire SFEN5/4/ Lessentiel du LHC 2.Choix de conception et paramètres 3.Aspects de la dynamique des faisceaux 4.Aspects des solutions technologiques 5.Etat de la mise en route 6.Conclusions

11 seminaire SFEN5/4/ Choix de conception -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: ! Maximiser énergie et luminosité tout en maitrisant les coûts!

12 seminaire SFEN5/4/ Termes de loptimisation Performance des supraconducteurs et industriabilité, Tolérance des aimants aux pertes partielles de faisceaux, Qualité de champ au 1/10000, Limite faisceau-faisceau sur N p /σ *, Limite de stabilité collective (N p, k b ), 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 douverture des aimants, …et beaucoup dautres….dont bien évidemment les coûts.

13 seminaire SFEN5/4/ 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/cm 3. - Luminosité de cm -2 s -1 avec τ = 15 heures - Intensité: ppp × 2808 (25 ns spacing), 360 MJ par faisceau, avec amélioration des injecteurs, systèmes damortissement des instabilités collectives, chambre à vide à 2K doublée dun 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 σ max = 1.5 mm, obtenu grâce à un triplet focalisant de 24 m et de 215 T/m et un système développé de correction daberration optique. -…

14 seminaire SFEN5/4/ a- Et aussi - 2 anneaux combinés dans le même cryostat dipoles de 15 m de long, 30 tonnes, à 1.9K lentilles de focalisation supraconductices, 3 à 9m de long, à 1.9 K ou 4.5 K aimants de corrections du dipôle au 12-pôle. - Ultra-vide sur 2×27km ( bar), pompes, cryopompage et NEG moniteurs de position de faisceau et beaucoup dautres systèmes dobservation.

15 seminaire SFEN5/4/ b- Et aussi - Cryogénie: tonnes de composants maintenus à 1.9 K grâce à 120 tonnes dhélium 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 collimateurs en 3 étages, 1000 détecteurs de pertes et un système de décharge ultra-rapide. -…

16 seminaire SFEN5/4/ Lessentiel du LHC 2.Choix de conception et paramètres 3.Aspects de la dynamique des faisceaux 4.Aspects des solutions technologiques 5.Etat de la mise en route 6.Conclusions

17 seminaire SFEN5/4/ Les défis de la dynamique de faisceau Les défis particuliers au LHC sont liés aux non-linéarites dordres élevés: Stabilité des trajectoires à linjection (maximum des erreurs de champ) Effet disruptif de linteraction faisceau-faisceau La haute intensité de faisceau apporte aussi sa moisson de phénomènes: Instabilités collectives Création dun nuage délectrons, …

18 seminaire SFEN5/4/ 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:

19 seminaire SFEN5/4/ La dynamique perturbée Afin déviter une diffusion, il faut corriger les ordres supérieurs avec les milliers d aimants de correction (4 à 10 pôles), organisés souvent en familles. Section espace des phases {x, p x }

20 seminaire SFEN5/4/ Leffet disruptif de linteraction faisceau-faisceau Les collisions produisent la luminosité, mais aussi une forte perturbation de la dynamique, qui est la limite de performance du LHC: lorsque lintensité est augmentée au delà dun seuil assez bien défini, on observe des phénomènes variés dégradant ou empêchant la prise de données: cest la limite faisceau- faisceau. Elle nest que qualitativement comprise et dune nature très complexe. La conception du LHC est fondée sur lexperience du SpS et Tevatron avec une bonne marge de sécurité.

21 30 long-range interactions par IP, 120 au total 3.5 Schéma de croisement Langle est de 0.02 degré

22 seminaire SFEN5/4/ Leffet disruptif de linteraction faisceau-faisceau Transition vers le chaos

23 Cette dynamique est riche et complexe, et a été étudiée avec beaucoup de soin, au CERN et également en collaboration (US-LHC). Linstrumentation de faisceau a été prévue à la hauteur de cette complexité. Nous sommes donc optimistes. seminaire SFEN5/4/ Conclusion sur la dynamique de faisceau

24 seminaire SFEN5/4/ Lessentiel du LHC 2.Choix de conception et paramètres 3.Aspects de la dynamique des faisceaux 4.Aspects des solutions technologiques 5.Etat de la mise en route 6.Conclusions

25 Inner Cable Outer Cable Number of strands2836 Strand diameter1.065 mm0.825 mm Filament diameter7 µm6 µm Number of filaments~ 8900~ 6520 Cable width15.1 mm Mid-thickness1.900 mm1.480 mm Transposition length115 mm100 mm Ratio Cu/Sc km de câbles supraconducteurs Nb-Ti 4.1a- Le câble supraconducteur Nb-Ti

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

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

28 4.1d- La mise en cryostat

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

30 PhLDéfis et progrès du LHC a- Principe de refroidissement des aimants du LHC à lHe superfluide

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

32 Photo gallery: Storage and distribution 14 May 2008L. Tavian – LHC Cryogenics32 GHe storage LN2 storage Cryo-magnet Distribution line (QRL) Interconnection box Vertical transfer line

33 PhLDéfis et progrès du LHC 33 Interception des charges thermiques induites par le faisceau à 5-20 K (capillaires refroidis à lhélium supercritique) Baffle de cryopompe protégeant la surface à 1,9 K du rayonnement incident Surface en dents de scie à faible réflectivité sur léquateur pour réduire le nuage délectrons 4.3a- Lécran de faisceau

34 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 4.3a- Le cryo-pompage au LHC

35 seminaire SFEN5/4/ Lessentiel du LHC 2.Choix de conception et paramètres 3.Aspects de la dynamique des faisceaux 4.Aspects des solutions technologiques 5.Etat de la mise en route 6.Conclusions

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

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

38 seminaire SFEN5/4/ 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 dintégration et de mise en froid se succèdent à cadence élevée, avec, en perspective, linjection de faisceau cet été. La masse critique dun laboratoire européen et international aura été déterminante pour faire face à lampleur du projet et ainsi amener le centre de gravité de la physique fondamentale et de sa haute technologie en Europe. Mais ceci nest pas la fin de lhistoire…

39 seminaire SFEN5/4/ Le potentiel de développement LHC baseline SLHC LHC+ & SLHC Multiplier par 10 la luminosité


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