L’Instrumentation de Faisceau du LHC J-J GRAS (ESE 89) Incluant des slides de présentations de E. Bravin et R. Jones (BE-BI) et M. Lamont (BE-OP) Le Groupe BI: mandat et organisation Les principales familles d’instruments et technologies utilisées Quelques chiffres sur l’instrumentation du LHC et ses premiers résultats Conclusion n.b.: ces slides sont délibérément ‘verbeux’ pour permettre une consultation ultérieure 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

Nous fournissons des yeux aux opérateurs de la machine. BE/BI: Mandat et Organisation Mandat – Organisation – Familles/Technologies – BI au LHC – Conclusions Le groupe Instrumentation de Faisceau (= BE/BI) du CERN a pour objectifs de développer, produire, déployer et maintenir tous les instruments nécessaires à l’observation des faisceau de particules circulant dans tous les accélérateurs du CERN et les lignes de transfert correspondantes. Nous fournissons des yeux aux opérateurs de la machine. Nos instruments observent et retransmettent le comportement du faisceau de particules circulant dans la chambre à vide. 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

BE/BI: Mandat et Organisation Mandat – Organisation – Familles/Technologies – BI au LHC – Conclusions Nous sommes partout… 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

Leurs formations du CAP au docteur/ingénieur BE/BI: Mandat et Organisation Mandat – Organisation – Familles/Technologies – BI au LHC – Conclusions Le groupe BE/BI comprend une soixantaine de staffs, une vingtaine de prestations de services et une vingtaine de ‘visiteurs’ (boursiers, doctorants)… soit environ 100 personnes. Leurs formations du CAP au docteur/ingénieur Leurs domaines couvrent la mécanique, l’ électronique, le software et la physique 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

Les Familles d’Instruments et leur Technologies Mandat – Organisation – Familles/Technologies – BI au LHC – Conclusions Nous regroupons nos instruments en familles en fonction du paramètre faisceau qu’ils mesurent, à savoir: L’intensité du faisceau circulant La position du faisceau dans la chambre à vide Les pertes de faisceau Les profils transverses et longitudinaux du faisceau Le taux de collisions (ou luminosité) aux expériences Nous allons brièvement passer ces différentes familles en revue puis voir leur implémentation au LHC en quelques chiffres et instantanés. 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

La mesure d’Intensité : code BCT Mandat – Organisation – Familles/Technologies – BI au LHC – Conclusions Les moniteurs de mesure d’intensité Permettent de connaitre le nombre de particules chargées circulant dans la machine ou traversant les lignes de transfert Permettent de régler les machines en fonction des besoins des utilisateurs (expériences) et des contraintes de protection de la machine. Mesurent les efficacités de transfert d’une machine à l’autre Mesurent la durée de vie d’un faisceau dans une machine circulante … 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

Le principe du Transformateur de Courant RF RL A Le faisceau circulant crée un champ magnétique CS R L Signal du Faisceau Signal Sortie Transfo après les différents traitements IB U En digitalisant ici, nous obtenons une valeur proportionnelle à l’intensité du faisceau t t 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

Le Transformateur du LHC 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

Les Resultats des BCTs Mi avril 2010: Un ‘run’ de physique suivi d’une étude machine avec le même faisceau sur plus de 10 heures Intensité dans le LHC: 2.5e10 p 2ieme Injection Période de Développement Machine 1ere Injection Période de Physique 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

La Mesure de Position : BPMs Mandat – Organisation – Familles/Technologies – BI au LHC – Conclusions Une mesure précise de la position du faisceau dans la chambre à vide tout au long des accélérateurs (dans le plan horizontal et vertical) est essentielle pour le réglage et le bon fonctionnement des machines. Il est en effet vital que les paquets de particules circulent loin des parois de la chambre et de tout autre obstacle (collimateurs ou autre limitation d’ouverture) afin de garder le faisceau dans la machine mais également de protéger cette dernière Au LHC par exemple, l’ouverture laissée au faisceau par les collimateurs à haute énergie est de quelques mm^2! Pour les collisionneurs comme le LHC, il est aussi essentiel d’avoir une mesure fiable et précise des positions des faisceaux pour les mettre en collision. … 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

Electrostatic Monitor – The Principle L’amplitude du signal extrait varie avec la distance au bouton. Au 1er ordre (c’est plus compliqué au LHC), la position est proportionnelle à la différence des signaux des 2 boutons divisée par leur somme. V + - - + - - + - + + - - + - + - - + - + - - - + - - + + - - + + - + - + - - + - - + + - - + + - - + - - + - - - - - - - + + - + + - - + - - + + - + - + - + - + - + + - + + - + - - + - + + 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

Pick-up Electrostatique – Bouton Area A r 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

Les Résultats des BPMs Les premières orbites du LHC montrent une forte oscillation du faisceau de 4 mm en moyenne… … Vite corrigée à l’aide des aimant correcteurs et ramenée à 200 microns 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

Les Moniteurs de Perte de Faisceau : BLM Mandat – Organisation – Familles/Technologies – BI au LHC – Conclusions Les moniteurs de Pertes de Faisceau forment un autre élément critique de notre instrumentation Durant la mise en route d’une machine mais également son fonctionnement, il est vital de pouvoir détecter très rapidement toute perte de faisceau qui pourrait localement endommager la machine ou créer un point ‘chaud’ sur le plan radioactif afin de déclencher instantanément l’évacuation du faisceau. Ils doivent permettre quantifier et localiser au mieux ces pertes. Tout comme les moniteurs de positions, les moniteurs de pertes sont donc éparpillés tout au long des machines. Cela est particulièrement important pour les machines supraconductrices comme le LHC où même de faibles pertes peuvent entrainer une défaillance d’un aimant (‘Quench’) ou des dommages importants. 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

Principe des Moniteurs de Pertes Deux types de chambres à ionisation La chambre longue Constituée d’un câble coaxial rempli de gaz de plusieurs km de long La localisation de la perte est déterminée en comparant les temps d’arrivée de l’impulsion et de sa réflexion. L’intensité de l’impulsion est proportionnelle aux pertes. 8m de résolution (30ns) sur des câbles de 3.5km Gamme dynamique de l’ordre de 104 Ces chambres ne sont pas utilisées au LHC: dynamique insuffisante et difficulté de localisation de pertes simultanées. 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

Les Moniteurs de Pertes Les chambres courtes utilisées au LHC Cylindres remplis de gaz avec de nombreuses électrodes sous haute tension pour collecter les atomes ionisés. Gamme dynamique de 108 Permettent une localisation précise des pertes Mais nécessitent de nombreux canaux d’acquisition (4000 au LHC) iin(t) + Iref 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

L’application Real Time des BLMs Pertes crées intentionnellement en mettant le faisceau près d’une résonnance pour tester l’efficacité du système de collimation et le comportement des BLM. On voit que les pertes sont bien localisées à l’endroit des collimateurs et absentes ailleurs (l’échelle est logarithmique. Sur l’image, un seuil est atteint et le faisceau à été extrait quelques centaines de micros secondes après. Faisceau 1 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

Les Moniteurs de Mesure de Profil : BTV, BWS, BSRT Mandat – Organisation – Familles/Technologies – BI au LHC – Conclusions Il est très important de mesurer avec précision les dimensions transverses des paquets de faisceau, spécialement dans des machines à protons (tout tend à augmenter la taille dans ces machines et rien à la réduire) car: Les gros paquets auront plus tendance à atteindre les limites d’ouvertures Les gros paquets sont moins denses et les chances de collision aux point d’interaction (c’est quand même le but de la machine) sont d’autant moins grandes. Actuellement au LHC, les faisceaux ont une taille horizontale et verticale d’environ 250 microns rms aux points de mesure. Nous avons principalement 3 types d’instruments pour cela. Les écrans: simples mais limites delà quelques tours de faisceaux Les fils volants: plus complexes mais faciles à interpréter. Mais ils sont traverses par le faisceau et donc limites en nombre de charges circulantes La lumière synchrotronique: non interceptive mais complexe à interpréter 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

Principe des Ecrans à Radiation de Transition De la lumière est émise lorsqu’une particule chargée traverse l’interface de 2 medias avec différentes constantes diélectriques (i.e. nos écrans OTR de 10 microns d’épaisseur). OTR Screen Beam Exit window Intensifier - CCD Mirror Lens 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

Differents Ecrans du LHC Normalement nous configurons 2 écrans d’environ 10cm x 10 cm un luminescent (~1mm d’épaisseur) pour le set-up à faible intensité un OTR (10 microns) pour les hautes intensités Mais nous en avons un de 60 cm de diamètre pour couvrir la dilution des paquets en fin de ligne d’extraction 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

Le Premier Tour du LHC le 10 Septembre 2008 First turn ! Le Faisceau est extrait après son 1er tour dans la machine. Notre écran, placé entre la ligne d’injection et d’extraction voit 2 fois le faisceau! 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

Test de Dilution du Faisceau LHC dans la Ligne d’Extraction 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

La Prévision contre le Résultat! Beam Dump beam absorber (graphite) about 8 m concrete shielding 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

Principe des Fils Volants Nous scannons un fin filament à travers le faisceau et détectons les particules secondaires crées lors de l’interaction entre le faisceau et le fil. En plaçant un scintillateur en aval du fil, nous recueillons la lumière émise lors de la traversée des particules secondaires qui est proportionnelle à la tranche de faisceau coupée par le fil En corrélant ce signal avec la position du fil, nous obtenons un profil du faisceau. 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

Principe des Fils Volants Nous scannons un fin filament à travers le faisceau et détectons les particules secondaires crées lors de l’interaction entre le faisceau et le fil. En plaçant un scintillateur en aval du fil, nous recueillons la lumière émise lors de la traversée des particules secondaires qui est proportionnelle à la tranche de faisceau coupée par le fil En corrélant ce signal avec la position du fil, nous obtenons un profil du faisceau. 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

Les Fils Volants Nous devons trouver un compromis pour la vitesse du fil: s’il traverse trop lentement le faisceau, il fond! s’il va trop vite, nous n’avons pas assez de points pour faire notre profil. Au LHC, le même bunch repasse toutes les 89 us et nos fils volent à 1 m/s. Au PS, le paquet revient en 2 us et la vitesse de notre fil est de 20 m/s. 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

Principe du Télescope à Lumière Synchrotonique Les particules chargées émettent une radiation dite synchrotronique (i.e. lumière dans le visible ou le rayon X) lorsqu’elles sont déviées par un champ magnétique. Nous utilisons un système optique pour acquérir ces images ‘gratuites’ du faisceau sans le perturber. Comme la source n’est pas ponctuelle dans le cas de nos aimants de courbure et que les caractéristiques de la lumière émise varient avec l’énergie du faisceau, ce banc optique est assez complexe (fentes réglables, filtres chromatiques, miroirs sphériques, trombones…) 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

Principe du Télescope à Lumière Synchrotonique Les particules chargées émettent une radiation dite synchrotronique (i.e. lumière dans le visible ou le rayon X) lorsqu’elles sont déviées par un champ magnétique. Nous utilisons un système optique pour acquérir ces images ‘gratuites’ du faisceau sans le perturber. Comme la source n’est pas ponctuelle dans le cas de nos aimants de courbure et que les caractéristiques de la lumière émise varient avec l’énergie du faisceau, ce banc optique est assez complexe (fentes réglables, filtres chromatiques, miroirs sphériques, trombones…) 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

Le Telescope de Lumiere Synchro du LHC Cible de Calibration Faisceau 2 Table optique de 4.8m x 1m Ligne de calibration des cameras Motorisation des filtres, miroirs, fentes et lignes à retard pour suivre le déplacement de la source SR lorsque l’énergie augmente Seconde Camera pulsée et intensifiée pour faire de la mesure bunch par bunch (les bunches se suivent à 25 ns). … 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

Les Faisceau Comme Si On Y Etait 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

Les Moniteurs de Luminosité Mandat – Organisation – Familles/Technologies – BI au LHC – Conclusions Pour les machines de type collisionneur comme le LHC dont le but est d’optimiser les nombre de collision entre particules aux points d’interactions où sont placées les expériences, il est essentiel d’avoir des instruments qui permettent d’évaluer ce taux de collisions pour régler finement la machine (i.e. en modifiant la position des faisceaux) Nos moniteurs de taux de collisions (Luminosité) détectent le flux de particules neutres (non déviées par les aimants de courbures) générées au points d’interactions (Expériences). Ce flux est pratiquement proportionnel au nombre de collisions. 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

Les Moniteurs de Luminosité : BRAN Mandat – Organisation – Familles/Technologies – BI au LHC – Conclusions Pour les machines de type collisionneur comme le LHC dont le but est d’optimiser les nombre de collision entre particules aux points d’interactions où sont placées les expériences, il est essentiel d’avoir des instruments qui permettent d’évaluer ce taux de collisions pour régler finement la machine (i.e. en modifiant la position des faisceaux) Nos moniteurs de taux de collisions (Luminosité) détectent le flux de particules neutres (non déviées par les aimants de courbures) générées au points d’interactions (Expériences). Ce flux est pratiquement proportionnel au nombre de collisions. 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

Les 1eres Collisions du LHC le 30 Mars 2010 vue par les BRANs Mandat – Organisation – Familles/Technologies – BI au LHC – Conclusions 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

Les 1eres Collisions du LHC le 30 Mars 2010 vue par les BRANs Mandat – Organisation – Familles/Technologies – BI au LHC – Conclusions 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

40 MCHF ~ 28 M Euros soit 2 % du LHC. BI au LHC en Quelques Chiffres Mandat – Organisation – Familles/Technologies – BI au LHC – Conclusions 40 MCHF ~ 28 M Euros soit 2 % du LHC. 1000 BPMs. I.e. 1000 positions H et V à 40 MHz lorsque la machine sera pleine soit 80.109 positions mesurées à la seconde! 4000 BLMs. Pour les BLMs et BPMs nous avons fait tirer plus de 5000 km de fibre optique. 12 BCT (2 types), 26 Ecrans (5 types), 8 fils volants, 2 télescopes à lumière synchro, 12 moniteurs de luminosité (3 types) plus quelques instruments plus exotiques ~140 châssis VME et plusieurs milliers de cartes électroniques développées par notre Groupe Des milliers de lignes de code 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

L’instrumentation du LHC Mandat – Organisation – Familles/Technologies – BI au LHC – Conclusions J’ai essaye de vous donner une vue d’ensemble des différents types d’instruments que nous produisons pour nos accélérateurs. Ce n’est clairement qu’une petite sélection parmi toute la diversité de notre instrumentation actuelle ou en cours de développement J’espère vous avoir fait apprécier que notre travail comprend La définition, design, la production et l’opération de nos instruments Beaucoup de R&D pour améliorer les techniques actuelles et inventer les futures pour couvrir les nouvelles requêtes de nos utilisateurs. Une combinaison de nombreuses disciplines Physique appliquée, physique des accélérateurs, optique, mécanique, électronique, software bas niveau et applicatif Un vrai petit paradis donc pour ingénieur généraliste! 01/08/2018 HSSIP-FR-2017

Voilà! Merci de votre Attention … Mandat – Organisation – Familles/Technologies – BI au LHC – Conclusions 01/08/2018 HSSIP-FR-2017