L. Brunetti, G. Balik, A. Jeremie, J.P. Baud, S. Vilalte, G. Deleglise LAVISTA : stabilisation de faisceaux nanométriques dans les futurs collisionneurs.

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1 L. Brunetti, G. Balik, A. Jeremie, J.P. Baud, S. Vilalte, G. Deleglise LAVISTA : stabilisation de faisceaux nanométriques dans les futurs collisionneurs linéaires Journées du laboratoire, Aussois 17 octobre 2011

2 SOMMAIRE Introduction  Pourquoi stabiliser les faisceaux CLIC Domaines d’activités au sein du groupe  Modélisation de structures mécaniques  Analyse modale expérimentale  Campagnes de mesures de mouvement du sol  Etudes de systèmes d’isolation actif & passifs Conclusion LAVISTA - Séminaire technique à Grenoble - 2010/06/24 2

3 Introduction  Pourquoi stabiliser les faisceaux CLIC Domaines d’activités au sein du groupe  Modélisation de structures mécaniques  Analyse modale expérimentale  Campagnes de mesures de mouvement du sol  Etudes de systèmes d’isolation actif & passifs Conclusion LAVISTA – Journées du laboratoire Aussois, le 17/10/2011 3

4 44 Pourquoi stabiliser les faisceaux CLIC (1/4) LAVISTA – Journées du laboratoire Aussois, le 17/10/2011 CLIC = Compact LInear Collider

5 55 Pourquoi stabiliser les faisceaux CLIC (2/4) LAVISTA – Journées du laboratoire Aussois, le 17/10/2011 Aimants parfaitement alignés Aimants imparfaitement alignés Trajectoire faisceau Perturbations La stabilisation des aimants guidant le faisceau durant sa phase d’accélération est nécessaire pour atteindre les énergies requises Main linac : partie accélératrice Le faisceau est guidé par des aimants LHC : accélérateur circulaire / CLIC & ILC accélérateur linéaires Toute modification de trajectoire / ligne droite donne lieu à déperdition d’énergie (rayonnement synchrotron)

6 Pourquoi stabiliser les faisceaux CLIC (3/4)  Qu’est ce que le nanomètre (10 -9 m): 1 nm 0,1 nm 1 000 000 nm1 000 nm ADN Machine a grande luminosité : faisceau est de très petite taille Le LAPP est principalement impliqué sur les aimants de focalisation finale 6 LAVISTA – Journées du laboratoire Aussois, le 17/10/2011

7 Pourquoi stabiliser les faisceaux CLIC (3/4)  Point de focalisation finale : Les dimensions du faisceau petites / au mouvement naturel du sol ( moins de 2 nanomètres / quelques dizaines de nanomètres ) La cohérence du mouvement du sol chute rapidement avec la distance ( les deux aimants du final focus ont des mouvements « indépendants »)  Derniers aimants focalisateurs « final focus » (encastré – libre) : Détecteur Aimant focalisateur ~ 5 mètres 7 LAVISTA – Journées du laboratoire Aussois, le 17/10/2011

8 88  Final focus : sollicitations dynamiques Pourquoi stabiliser les faisceaux CLIC (4/4) LAVISTA – Journées du laboratoire Aussois, le 17/10/2011 Hypothèse : aimants infiniment rigides  Les extrémités des aimants se déplacent de 10-20 nanomètres de manière non cohérente  La dimension verticale du faisceau est de 1.4 nanomètres Perturbations acoustiques + systèmes internes Mouvement de la terre (naturel+ bruit culturel) Nécessité d’amortir le mouvement des doublets finaux et de contrôler la trajectoire du faisceau pour garantir la collision

9 Introduction  Pourquoi stabiliser les faisceaux CLIC Domaines d’activités au sein du groupe  Modélisation de structures mécaniques  Analyse modale expérimentale  Campagnes de mesures de mouvement du sol  Etudes de systèmes d’isolation actif & passifs Conclusion LAVISTA – Journées du laboratoire Aussois, le 17/10/2011 9

10 10 Modélisation de structures mécaniques Résonances et modes propres (1/3) Réponse harmonique d’une poutre encastrée libre LAVISTA – Journées du laboratoire Aussois, le 17/10/2011 Accélération de 1mm/s² entre 0.1 & 100 Hz Amplitude de l’accélération de l’encastrement Amplitude de l’accélération de l’extrémité Fréquences (Hz) Accélération mm.s -1 Fréquences propres Pour certaines fréquences caractéristiques on constate une amplification du mouvement

11 11 Fréquences propres Modes propres Résumé : Hors résonance l’extrémité suit rigidement le mouvement de l’encastrement Sur les résonances : le mouvement de l’extrémité est plus grand que le mouvement de l’encastrement Les modes propres sont les déformées associées à chaque fréquence propre Modélisation de structures mécaniques Résonances et modes propres (2/3) LAVISTA – Journées du laboratoire Aussois, le 17/10/2011 1 2 3 1 2 3

12 12 Exemple d’application : aimant de type 4 main linac Détermination des fréquences d’un pole seul Calcul des fréquences propres d’un aimant assemblé Etude de l’influence du mode d’assemblage et du bobinage Modélisation de structures mécaniques Résonances et modes propres (3/3) LAVISTA – Journées du laboratoire Aussois, le 17/10/2011 Aimant complet soudé : 755 Hz Aimant complet boulonné : 723 Hz Pole seul : 113 Hz

13 Introduction  Pourquoi stabiliser les faisceaux CLIC Domaines d’activités au sein du groupe  Modélisation de structures mécaniques  Analyse modale expérimentale  Campagnes de mesures de mouvement du sol  Etudes de systèmes d’isolation actif & passifs Conclusion 13 LAVISTA – Journées du laboratoire Aussois, le 17/10/2011

14 14 Analyse modale expérimentale Les moyens de mesures: PULSE (B&K) : Système d’acquisition dédiée aux analyse vibratoires et acoustiques 10 voies de mesures Différents filtres (anti-repliement, passe haut,…) Alimentation directe des capteur CCLD Solution logicielles (Mesures & Post traitement) LAVISTA – Journées du laboratoire Aussois, le 17/10/2011 Les capteurs utilisés : 2 accéléromètres mono axiaux 3 accéléromètres triaxiaux Marteau de choc Microphone 10 mm

15 15  Exemple d’utilisation : mesures sur un pôle d’aimant Analyse modale expérimentale Mesures réalisées avec le système Pulse 3 Accéléromètres triaxiaux (B&K 4524) 1 Marteau de choc (B&K 8230) Mesures des fonctions de réponse en fréquence Fonction de transfert entre force d’excitation et accélérations des différents points Fréquence propres Amortissements modaux Déformées modales LAVISTA – Journées du laboratoire Aussois, le 17/10/2011 Post traitement

16 16  Exemple d’utilisation : mesures sur un pôle d’aimant Analyse modale expérimentale Résultats de la campagne de mesure sur un pole seul : ModeExperimental frequency (Hz) Computed frequency (Hz) Error % 1115114 0,87% 2205212 3,36% 3272278 2,18% 4306 0,00% Conclusion : Validation de calculs EF Mesure des amortissements Excellent outil de diagnostic ! LAVISTA – Journées du laboratoire Aussois, le 17/10/2011 Une Seconde campagne de mesure sur l’aimant complet (CERN) a montré des résultats très proches des simulations effectuées au LAPP

17 Introduction  Pourquoi stabiliser les faisceaux CLIC Domaines d’activités au sein du groupe  Modélisation de structures mécaniques  Analyse modale expérimentale  Campagnes de mesures de mouvement du sol  Etudes de systèmes d’isolation actif & passifs Conclusion 17 LAVISTA – Journées du laboratoire Aussois, le 17/10/2011

18 18 Mesures de mouvement du sol Pourquoi mesurer le mouvement du sol : Mesure des sollicitations dynamiques à considérer Comparaisons entre différents sites potentiels pour un nouvel accélérateur Détermination de stratégies globale (cohérence, machine de surface / tunnel, …) LAVISTA – Journées du laboratoire Aussois, le 17/10/2011 Le matériel utilisé : Système d’acquisition Pulse (le même) Capteurs spécifiques (géophones, accéléromètres) Type de capteurs Géophone Electromagnétique Accéléromètre piézoélectrique Modèle Guralp CMG-40T ENDEVCO 86 SociétéGeosigBrüel & Kjaer Signal de sortieVitesse (X, Y, Z)Accélération (Z) Sensibilité1 600 V/(m/s)10 V/g Gamme de fréquences (Hz) [0,033 – 50][0,01 – 100] Masse (Kg)~ 70,771

19 19 Mesures de mouvement du sol : Super B LAVISTA – Journées du laboratoire Aussois, le 17/10/2011  Exemple de campagne de mesures : projet Super B Collaboration LAPP / CERN / INFN (Frascati, Italie) Deux campagnes de mesures INFN / Tor Vergata  Comparaisons entre deux sites potentiels pour un nouvel accélérateur Sources de vibrations : Activité sismique Autoroute

20 20 Mesures de mouvement du sol : Super B  Etude des perturbations sur une journée : PSD Temps(h) Fréquence (Hz) Analyse dans le temps Analyse en fréquence LAVISTA – Journées du laboratoire Aussois, le 17/10/2011 Informations révélées : Niveaux de vibration du sol Influence du trafic (heures de pointes) Contenu fréquentiel du mouvement

21 21 Mesures de mouvement du sol : Super B  Evaluation de l’atténuation obtenue en profondeur : Fréquences < 2 Hz : mouvement naturel de la terre non atténué Très atténué en profondeur > 2 Hz car mouvement dû au bruit culturel LAVISTA – Journées du laboratoire Aussois, le 17/10/2011

22 22 Mesures de mouvement du sol : Super B  Campagne de mesure sur le site de Tor Vergata La nature du sol apporte un facteur d’amortissement très fort A 100 mètres de l’autoroute, les niveaux de vibrations sont acceptables pour la construction d’un accélérateur de « surface » LAVISTA – Journées du laboratoire Aussois, le 17/10/2011 Position des capteurs Depuis ces mesures réalisées en Avril 2011, le choix du site a été finalisé et accueillera prochainement le Laboratoire Nicolas Cabibbo

23 Introduction  Pourquoi stabiliser les faisceaux CLIC Domaines d’activités au sein du groupe  Modélisation de structures mécaniques  Campagnes de mesures de mouvement du sol  Analyse modale expérimentale  Etudes de systèmes d’isolation actif & passifs Conclusion 23 LAVISTA – Journées du laboratoire Aussois, le 17/10/2011

24 24  Développement d’un pied actif : ISOLATION ACTIVE Capteur capacitif ( déplacement) Actionneur PZT Guidage par déformation d’ élastomère 4 actionneurs piézoélectriques (PPA10M) 4 capteurs capacitifs (déplacement relatif) Eléments actif destiné à compenser les mouvements du sol LAVISTA – Journées du laboratoire Aussois, le 17/10/2011

25 25  Développement d’un pied actif : ISOLATION ACTIVE Environ 1 an de développement Mécanique développée et réalisée au LAPP Premiers test de caractérisation réalisés en interne (sensibilité, résonnances internes)  Développement de structures passives: Résonateur basse fréquence (ie filtre passe bas) Couper les « hautes » fréquences pour faciliter le travail du contrôle actif LAVISTA – Journées du laboratoire Aussois, le 17/10/2011 Partie Algorithme en cours de développement: sous la responsabilité du laboratoire SYMME

26 Conclusion 26  Une des configurations probables: Une combinaison de systèmes mécaniques actifs et passifs et de systèmes agissant directement sur le faisceau sera probablement nécessaire pour atteindre les spécifications. LAVISTA – Journées du laboratoire Aussois, le 17/10/2011 Passif : solution étudiée par le CERN Passif et/ou Actif : solutions étudiées par le LAPP & SYMME Objectif : Stabilisation sub nanométrique sur une large gamme de fréquence

27 Conclusion 27  Des domaines de compétences variés LAVISTA – Journées du laboratoire Aussois, le 17/10/2011 Mécanique (supports, guidages, résonateurs mécaniques, …) Instrumentation (nanomètre, compatibilité avec le contrôle actif, …) Electronique (acquisition & commande, bandes passantes, résolution,…)  Un travail collaboratif CERN SYMME ( Université de Savoie) INFN (Italie) Objectifs techniques ambitieux La stabilisation est un problème complet / complexe L’échelle nanométrique apporte son lot de difficultés

28 LAVISTA – Journées du laboratoire Aussois, le 17/10/2011 28 Merci pour votre attention !

29 LAVISTA - Séminaire technique à Grenoble - 2010/06/24 29

30 LAVISTA - Séminaire technique à Grenoble - 2010/06/24 30

31 LAVISTA - Séminaire technique à Grenoble - 2010/06/24 31

32 32 Evaluation de capteurs de vibration sismiques industriels Capteurs de vibration Système d’acquisition Traitement des résultats Conditionnement du signal Estimation de la précision des mesures Signal temporel Filtres, amplificateurs… Analogique  Numérique Analyse fréquentielle sous Matlab, Labview INSTRUMENTATION  La chaîne de mesures : LAVISTA - Séminaire technique à Grenoble - 2010/06/24

33 33  Mesures du mouvement d’une structure : Type de capteurs Géophone ElectrochimiqueAccéléromètre piézoélectrique ModèleSP500-BSP500-CENDEVCO 86393B124507B34524 SociétéPMD Scientific Brüel & Kjaer PCB Piezotronics Brüel & Kjaer Signal de sortie Vitesse (Z) Accélération (Z) Accélération (X, Y, Z) Sensibilité2 000 V/(m/s)20 000 V/(m/s)10 V/g 98 mV/g Gamme de fréq. (Hz) [0,0167 – 75][0,033 – 75][0,01 – 100][0,05 – 4000][0,3 – 6000][0,25–3000] Quantité222232 Masse (Kg)0,75 0,7710,2104,8m4,4m INSTRUMENTATION ContrôleEtude modale

34 LAVISTA - Séminaire technique à Grenoble - 2010/06/24 34 Type de capteurs Géophone ElectromagnétiqueGéophone Electrochimique Accéléromètre piézoélectrique Modèle Guralp CMG-40T VE-13SP400-USP500-BSP500-CENDEVCO 86 SociétéGeosig EentecPMD ScientificBrüel & Kjaer Signal de sortieVitesse (X, Y, Z) Vitesse (Z) Accélération (Z) Sensibilité1 600 V/(m/s)1000V/(m/s) 2 000 V/(m/s)20 000 V/(m/s)10 V/g Gamme de fréquences (Hz) [0,033 – 50][1– 315][0,1 – 50][0,0167 – 75][0,033 – 75][0,01 – 100] Quantité222222 Masse (Kg)~ 72,0~ 6~ 0,75 0,771  Mesures du mouvement du sol : INSTRUMENTATION

35 LAVISTA - Séminaire technique à Grenoble - 2010/06/24 INSTRUMENTATION 35  Conditionnement du signal et système d’acquisition (2/2) : NI : Système d’acquisition choisi pour le rejet actif: DAQ NI PCI-6052  Driver Matlab/ Simulink, CNA pour la commande de l’actionneur  Amplificateurs intégrés jusqu’à un facteur 200  Mise en place d’un filtre anti-repliement  Filtre passe-haut différentiel du 6 e ordre avec f c =1Hz et bruit interne très faible. Filtres, alims + carte NI  Contrôle

36 LAVISTA - Séminaire technique à Grenoble - 2010/06/24 36 APPLICATION : TUNNEL LHC (collaboration avec le CERN)  Objectifs : Etude d’un accélérateur dans un tunnel (80 m sous le sol), d’un accélérateur en surface et d’un bâtiment bruyant en surface Etude de l’influence des sous-systèmes de l’accélérateur (ex : ventilation) Etude de la cohérence du sol

37 LAVISTA - Séminaire technique à Grenoble - 2010/06/24 37 APPLICATION - TUNNEL LHC  Le mode opératoire : En surface : Pas de système en marche - Nuit CTF 3 accélérateur en surface Quelques systèmes en marche, jour 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)

38 LAVISTA - Séminaire technique à Grenoble - 2010/06/24 38 06m7m10m APPLICATION - TUNNEL LHC  Ex de résultats : cohérence du sol

39 LAVISTA - Séminaire technique à Grenoble - 2010/06/24 39 APPLICATION - TUNNEL LHC  Ex de résultats : influence de la climatisation Clim OFFClim ON

40 LAVISTA - Séminaire technique à Grenoble - 2010/06/24 40 APPLICATION - PROJET SUPER B (FRASCATI)  Evaluation 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.

41 LAVISTA - Séminaire technique à Grenoble - 2010/06/24 41 APPLICATION - PROJET SUPER B (FRASCATI)  Comparaison du mouvement du sol d’une nature différente : LNF

42 LAVISTA - Séminaire technique à Grenoble - 2010/06/24 42 CONTRÔLE DE VIBRATIONS

43 43  Une solution industrielle : Table TMC.  Composée d’un bloc rigide et de 4 pieds actifs (STACIS).  Isolation passive : atténuation de toutes les “hautes” fréquences mais amplification des très basses fréquences (filtre résonant).  Isolation active : atténuation des perturbations amplifiées par l’isolation active. ISOLATION ACTIVE LAVISTA - Séminaire technique à Grenoble - 2010/06/24

44 44 2.5 m long  Asservissement d’un prototype « réaliste » :  Actionneur :  Force = 19.3 N  Déplacement maxi = 27,8 μm  Résolution = 0,28 nm - Empilement de céramiques PZT - COMPENSATION ACTIVE LAVISTA - Séminaire technique à Grenoble - 2010/06/24

45 45 Modélisation éléments finis de la structure : M : Mass matrix C : damping matrix K : stiffness matrix  Passerelle vers les logiciels utilisés pour le contrôle (rep. en modèle d’état), par exemple Matlab - Simulink. Tests et réglages des lois de commande Augmentation des possibilités de tests (multiple configurations capteurs, actionneurs…) Analyse du comportement en tout point de la structure  Prédiction de la réponse du système mécanique Ex : force (actuator) appliquée à un point COMPENSATION ACTIVE  Test préalable en simulation : Equations dynamiques : LAVISTA - Séminaire technique à Grenoble - 2010/06/24

46 46 COMPENSATION ACTIVE  Quelques résultats obtenus sur le prototype poutre : Rejet actif à une fréquence spécifique : excitation ponctuelle (ex : pompe) Rejet actif sur une gamme de fréquences (ex : mode de résonance) LAVISTA - Séminaire technique à Grenoble - 2010/06/24

47 47 Actuator electronic noise at 50 Hz - No control - With active isolation (TMC table) - With active isolation (TMC table) and active compensation (PZT actuators) COMPENSATION ACTIVE  résultats : déplacement RMS intégré couplé à de l’isolation active  Démonstration de faisabilité d’un asservissement mécanique à l’échelle sous- nanométrique. LAVISTA - Séminaire technique à Grenoble - 2010/06/24

48 48 ATF2 Accelerator Test feasibility Japon Collaboration US – Japon - UE LAPP : Installation: 2007-2008 Faisceau: novembre 2008

49 FD:Doublet Final Mesure de taille de faisceau: Shintake VUE D’ENSEMBLE LAVISTA - Séminaire technique à Grenoble - 2010/06/24 49 ~40m

50 SPECIFICATIONS - APPROCHE  Problématique : Mouvement relatif entre le Shintake Monitor et les doublets finaux: 10 nm dans la direction verticale au-dessus de 0.1Hz LAVISTA - Séminaire technique à Grenoble - 2010/06/24 50  Solution 1 : Isolation active des éléments (CLIC)  Solution 2 : optimiser la cohérence du mouvement entre les éléments.  Fonction de transfert « sol – élément » = 1  Supports rigides et fixés solidement au sol pour le Shintake Monitor et les Doublets finaux  Etude du bloc en nids d’abeilles de CLIC sans ses pieds actifs

51  Fonction de transfert de la table Masse  Mesures de déformées modales (test de hammer) LAVISTA - Séminaire technique à Grenoble - 2010/06/24 51 ETUDE TABLE + SUPPORT Etude en fonction des conditions limites

52 plaques d’acier boulonnées au sol Bloc en nids d’abeilles Cire d’abeilles  Sans masse: pas de pics  Avec masse: résonance à 92Hz Bonne transmission des vibrations entre sol et table Cire d’abeilles Boulon Cire: peut être décollé, stable dans le temps, insensible aux radiations Masse LAVISTA - Séminaire technique à Grenoble - 2010/06/24 52 Solution finale  Bloc fixé sur une face :

53 Impact du refroidissement (eau) sur les aimants LAVISTA - Séminaire technique à Grenoble - 2010/06/24 53  Dispositif : Tests réalisés au LAPP  Résultats :

54 Installation finale LAVISTA - Séminaire technique à Grenoble - 2010/06/24 54  Ensemble support + table + aimants : LAPP : Installation: 2007-2008 Faisceau: novembre 2008

55 Shintake Capteurs  Mesure de la fonction de transfert shintake monitor / doublets finaux : Très rigide en Z (première résonance à 70Hz dues aux supports des DF) et cohérence à 1 en dessous de 4Hz LAVISTA - Séminaire technique à Grenoble - 2010/06/24 55 Qualification de l’équipement sur site  Mouvement relatif : intégration de la fonction de transfert (H(k)) et de la Densité Spectrale de Puissance du mouvement du sol (DSPx(k))