LAPP : instrumentation faisceau Contrôle de la position du faisceau au point d’interaction L. Brunetti1, J. Allibe1, J.-P. Baud1, G. Balik1 , G. Deleglise1, A. Jeremie1, S. Vilalte1 B. Caron2, C. Hernandez2 1: LAPP-IN2P3-CNRS, Université de Savoie, Annecy, France 2: SYMME-POLYTECH Annecy-Chambéry, Université de Savoie, Annecy, France CTF3 Electronique BPM S. Vilalte, J.M. Nappa

Lavista et les collisionneurs : LHC, SuperB, ATF2 Sommaire Contrôle de la position du faisceau au point d’interaction Lavista : thématiques CLIC - IP feedback – simulation faisceau - Contrôle actif – action mécanique Lavista et les collisionneurs : LHC, SuperB, ATF2 2013-05-13 JCL 2

Challenge Pourquoi contrôler les vibrations ? - R&D CLIC - -Taille des faisceaux σx,y (Nominale: σx= 60 nm, σy=0,7nm) - Surface d’intersection L’implication du LAPP : le point d’interaction (IP) 2013-05-13 JCL

Stratégie Association de 2 actions (faisceau & mécanique) : - R&D CLIC - Action IPFB Action IA IPFB: Correction trajectoire faisceau (LAPP) Pied actif: Amortissement actif ou passif Action directe sur le faisceau (IPFB) : mesure position du faisceau et action à l’aide d’un dipôle Action “mécanique” (isolation active) : mesure du mouvement de l’aimant et du sol et action à l’aide d’actionneurs (pieds actifs) 2013-05-13 JCL

Process échantillonné à 50 Hz Spécifications Faisceau - R&D CLIC - Process échantillonné à 50 Hz Contrôle de la trajectoire efficace uniquement en très basses fréquences Représentation fréquentielle : 2013-05-13 JCL

IP feedback Contrôle - R&D CLIC - Collaboration avec le CERN (faisceau) et SYMME (contrôle) Projet de « contrôle pur » Simulation de faisceau sous PLACET 2013-05-13 JCL

IP feedback Résultats : Résultats très bons - R&D CLIC - Résultats très bons Nouvelle compétence au LAPP Articles de revue : - Caron B et al, 2012, “Vibration control of the beam of the future linear collider”, Control Engineering Practice. - G. Balik et al, 2012, “ Integrated simulation of ground motion mitigation, techniques for the future compact linear collider (CLIC) “, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research 2013-05-13 JCL

Contrôle actif - R&D CLIC - Solution LAPP: démonstrateur à l’échelle sous-nanométrique Electrodes capteurs capacitifs Actionneurs piezoélectrique PPA10M CEDRAT Elastomères pour le guidage Ajustements fins pour les capteurs capacitifs (tilt et distance) Modèle & caractérisation expérimentale : 2013-05-13 JCL

Banc de tests Architecture de contrôle: - R&D CLIC - Capteurs utilisés : - Geophones : GURALP CMG-6T - Acceleromètres : WILCOXON 731A Matlab & dSPACE ControlDesk Pour le contrôle et l’analyse dSPACE Temps réel (prototypage rapide) Amplificateurs, filtres, alimentations…. En parallèle, on a un outil de simulation qui prend tout en compte (ADC, DCA, filtres, bruits….) 2013-05-13 JCL

Stratégie de mesures Association de 2 capteurs : - R&D CLIC - 2013-05-13 JCL

Contrôle actif – stratégie et atténuation - R&D CLIC - Stratégie de contrôle: Feedforward avec 1 geophone et 1 accéléromètre Contrôle avec 1 geophone et 1 accéléromètre Capteurs dédiés à des bandes de fréquences. Résultats d’atténuation (simulation vs expérience) Atténuation jusqu’à 50dB entre 1,5-100Hz Ok avec les simulations 2013-05-13 JCL

Contrôle actif – résultats - R&D CLIC - Résultats expérimentaux (RMS) : Result: 0,6 nm RMS @ 4 Hz Spec: 0,2 nm RMS @ 4 Hz Publication en cours (acceptée) : Balik et al, “Active control of a subnanometer isolator“, JIMSS. 2013-05-13 JCL

Contrôle actif – conclusion début 2013 - R&D CLIC - Résultats sont quand même bons : 0,6 nm RMS @4Hz !! 2 limitations principales : Le bruit électronique des capteurs On est aux limites du contrôle avec les technologies utilisées Les modèles des capteurs On utilise des capteurs qui ne sont pas conçus pour mettre en œuvre du contrôle sur la gamme de fréquences que l’on souhaite - With Guralp 6T - With Guralp 3ESP Outils de simulation performants Etat des lieux : janvier 2013 2013-05-13 JCL

Court terme Le contrôle de notre démonstrateur à 0,2 nm RMS à 4 Hz - R&D CLIC - Le contrôle de notre démonstrateur à 0,2 nm RMS à 4 Hz Capteurs dernière génération Capteurs CERN (spécifications en commun) Développement d’un capteur « LAPP » Pour le moment, pas réellement de gain… Brevet en cours : Guillaume D, Julie A, Gaël B et Jean-Philippe B. Ambitieux projet mécatronique avec la synergie de différents corps de métiers (mécanique, instrumentation, contrôle, électronique...) Atteindre 0,2 nm RMS : une étape fondamentale pour la suite du projet !! 2013-05-13 JCL

Jalons CLIC Planning global - R&D CLIC - Planning global Objectif Lavista : contrôle d’une structure équivalente à un aimant en respectant les spécifications. 2013-05-13 JCL

Moyen – long terme Le contrôle d’un aimant factice à 0,2 nm RMS à 4 Hz - R&D CLIC - Le contrôle d’un aimant factice à 0,2 nm RMS à 4 Hz 1,5 tonnes Aimant très onéreux qui ne sera pas produit dans un futur proche -> prototype Stratégie de contrôle à définir : - Pieds actifs : nombre, type, degré de liberté, positions….?? - Contrôle : SISO – MIMO ?? - TS, temps réel… Etudes importantes en simulation 2013-05-13 JCL

Simulation de l’aimant State-Space Model Creation - R&D CLIC - Collaboration avec le Cern et Symme Mise en place de l’outil de simulation ANSYS MATLAB Simulink FE Model Creation State-Space Model Creation State-Space Model Use Simulations avant conception… Conception de l’aimant factice et réalisation Développement d’un démonstrateur à l’échelle réelle 2013-05-13 JCL

LHC Le mode opératoire : Caractéristiques spécifiques: - Mesures synchrones systèmes LHC en marche (pas de faisceau), nuit Multi-directionnel Mesures à : 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 20 30 38 54 108 198 306 412 509 604 706 960 (m) En surface : Pas de système en marche - Nuit 2013-05-13 JCL CTF 3 accélérateur en surface Quelques systèmes en marche, jour

Tunnel du LHC Ex de résultats : cohérence du sol 6m 7m 10m 6m 7m 10m 2013-05-13 JCL

Choix du site Frascati vs Tora Vergata SUPER B Accélérateur circulaire (1,35 km) à 30 kms au sud de Rome : Choix du site Frascati vs Tora Vergata Evaluation du mouvement du sol (surface, profondeur, trafic…) Etude de la cohérence du mouvement du sol… 2013-05-13 JCL

SUPER B Exemple de résultats : évaluation de l’atténuation obtenue en profondeur : Identique < 2 Hz : mouvement naturel de la terre Très atténué en profondeur > 2 Hz car mouvement dû au bruit culturel 2013-05-13 JCL

Comparaison de 2 sols différents SUPER B Exemple de résultats : évaluation de la cohérence du sol : Comparaison de 2 sols différents Une « bonne » cohérence du sol induit un mouvement relatif faible entre les éléments du collisionneur. 2013-05-13 JCL

ATF2 – phase 1 Objectifs du LAPP (1) : Obtenir un déplacement relatif entre les 2 derniers aimants focalisateur (doublets finaux) et la cible de qq nm à 0,1Hz Développement de la solution de stabilisation Conception et réalisation des supports et positionnement des aimants Impact du système de refroidissement Installation et tests sur site 2013-05-13 JCL

Qualification de l’équipement sur site Mesure de la fonction de transfert shintake monitor / doublets finaux : Capteurs Shintake Très rigide en Z (première résonance à 70Hz dues aux supports des DF) et cohérence à 1 en dessous de 4Hz Mouvement relatif : intégration de la fonction de transfert (H(k)) et de la Densité Spectrale de Puissance du mouvement du sol (DSPx(k)) 2013-05-13 JCL

Simulateur du mouvement du sol Objectifs du LAPP (2) : mesures sismiques et modélisation sur site Générateur de mvt du sol « standard » avec différents modèles (=sites) (A. Seryi) : Simulation qui reproduit les propriétés temporelles et spatiales du mouvement du sol Objectifs : faire le modèle d’ATF2 & impact sur le faisceau Mesures de cohérence en fct des distances : mesures vs théoriques 2013-05-13 JCL

ATF2 – en cours… Campagne de mesures sismique en collaboration avec le CERN - Démonstrateur d’accélérateur linéaire au Japon - (faisceau de 37 nm, longueur de 55m (FFline) + 36m (extraction)…) Objectif : étudier la corrélation entre les mouvements du sol et la trajectoire du faisceau afin de « contrôler le faisceau en mesurant le sol »… Solution alternative à la stabilisation CLIC ? Moyen : mesurer les déplacements du sol le long de l’accélérateur Installation et mise en œuvre de 15 capteurs sismiques au mois de mai 2013. 2013-05-13 JCL

Conclusion CLIC contrôle position du faisceau Projets R&D ambitieux et collaboratif liés aux collisionneurs linéaires Implication principale sur CLIC avec une forte pluridisciplinarité Investissements parallèle sur d’autres collisionneurs… Réalisation d’un module à l’échelle réelle pendant la phase développement de CLIC. 2013-05-13 JCL

Activités du groupe CTF3 au LAPP Thème: instrumentation locale du module CLIC. → Acquisition et contrôle. Deux axes de travail: Châssis local d’acquisition du module CLIC: Gestion locale du réseau fibre optique synchrone. Gestion des 7 sous-systèmes du module. Sous système BPM stripline DB: Acquisition synchrone des signaux des électrodes du BMP avec la machine. Reconstruction de la position du faisceau. R&D architecture châssis et réseaux: cartes d’évaluation. Développement d’une chaîne prototype d’acquisition BPM stripline. Collaboration avec les services accélérateurs du CERN pour ces deux axes. 2013-05-13 JCL

Activités du groupe CTF3 au LAPP Prototype de la chaîne d’acquisition: Cartes d’acquisition synchrones locales. Réseau fibres optiques. Carte PCIe de gestion du réseau en « surface » dans un ordinateur. → Installation janvier 2013. → Bons résultats durant les premiers tests. 2013-05-13 JCL

Activités du groupe CTF3 au LAPP PROJETS 2013-2015: - Intégration dans l’infrastructure réseau CERN. - Choix d’un châssis standard et architecture locale des sous-systèmes. - Premier prototype de châssis. - Qualifications aux radiations. Moyens 2012-2015: ~10k€/an IN2P3. Manpower: 1,4 personne/an. 2013-05-13 JCL