L’interférométrie pour aligner les aimants du HL-LHC

Nov 12, 2019

Les géomètres du CERN viennent de mettre au point un système permettant de connaître en temps réel la position de certains composants à l’intérieur des cryostats – scellés – du futur HL-LHC. Actuellement, seule la position des cryostats eux-mêmes peut être mesurée, via des capteurs réalisant des mesures en continu. « Ce nouveau système a été développé spécialement pour le HL-LHC, pour pouvoir connaître directement la position des masses froides au niveau des triplets internes situés de part et d’autre des expériences ATLAS et CMS, et celle des cavités-crabe à l’intérieur de leur cryostat », explique Hélène Mainaud Durand, responsable de l’alignement pour le projet HL-LHC. « Pouvoir contrôler en continu l’alignement de ces composants, notamment au cours des cycles de réchauffement et refroidissement de l’accélérateur, sera un vrai plus. »

Le nouveau dispositif est basé sur la technique de l’interférométrie à balayage de fréquence (frequency sweeping interferometry - FSI), un procédé de mesure de distance permettant de réaliser simultanément plusieurs mesures de distance absolue entre une tête de mesure et des cibles, et de les rapporter à une mesure de référence commune. « Avec cette technique, il sera possible, en faisant 12 mesures de distance entre le cryostat et la masse froide, de déduire la position de la masse froide à quelques micromètres près par rapport au cryostat », poursuit Hélène Mainaud Durand. Chaque masse froide sera ainsi équipée de 12 cibles, des billes en verre réfléchissantes spécialement développées pour ce dispositif. En face des cibles se trouveront, fixés au cryostat, 12 têtes laser connectées à un système d’acquisition laser par fibre optique.

Bien que l’interférométrie à balayage de fréquence soit une technique communément utilisée en métrologie, son adaptation pour une utilisation dans un environnement cryogénique n’est pas sans poser problème : « Nous avons dû surmonter plusieurs obstacles, posés par les conditions extrêmes rencontrées dans les accélérateurs », souligne Mateusz Sosin, ingénieur mécatronique en charge de ce développement. « Le premier problème est apparu lors d’un test réalisé à la température cryogénique de 1,9 K (-271,3°C) sur un dipôle du LHC équipé de ce système. À cette température, les masses froides se contractent et perdent jusqu’à 12 mm, entraînant avec elles nos cibles d’interférométrie, qui ne sont alors plus alignées avec les têtes lasers. » Pour contourner le problème, un faisceau laser divergent, autrement dit conique, a été développé, de sorte que, malgré les mouvements de contraction et dilatation, la source reste dans le « feu de son projecteur ».

Le deuxième problème est lié à la condensation. À 1,9 K, les cibles se couvrent d’une fine couche de givre provoquée par la condensation de gaz résiduels, ce qui les rend opaques aux rayons laser. « Sur les conseils de nos collègues de la section cryostat, nous avons décidé d’exploiter les radiations thermiques émises par l’enceinte à vide pour réchauffer les cibles », explique Mateusz Sosin. « Les radiations sont ‘recueillies’ par une plaque en aluminium située sous la cible, ce qui permet de la maintenir à une température juste suffisante pour éviter la condensation. Cette plaque est fixée à un support isolant en résine époxyde lui-même fixé à la masse froide. »

Plusieurs tests ont déjà été menés, notamment sur un prototype de cavités-crabe installé dans le SPS, ainsi que sur un dipôle du LHC. Les derniers essais, en cours actuellement, sont très prometteurs, et les géomètres d’autres laboratoires, notamment DESY et Fermilab, ont déjà montré un grand intérêt.


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