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

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  • Les dfis du LHC, le nouveau collisionneur de hadrons au CERN J.-P. Koutchouk CERN/Technologie dacclrateur
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  • seminaire SFEN5/4/20142 1.Lessentiel du LHC 2.Choix de conception et paramtres 3.Aspects de la dynamique des faisceaux 4.Aspects des solutions technologiques 5.Etat de la mise en route 6.Conclusions
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  • seminaire SFEN5/4/20143 1.1- Introduction Par son nergie et luminosit, le LHC va permettre daccder un nouveau domaine de la physique, au del du Modle Standard (expos prcdent). Du point de vue des sciences dacclrateurs, le LHC est une combinaison unique de dfis thoriques, conceptuels et technologiques, mobilisant le CERN ainsi que de nombreux laboratoires et industries dans le monde entier. Le but de cet expos est de donner une impression gnrale sur les dfis et les rponses choisies pour raliser ce collisionneur.
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  • x 100 x 7 1.2- Performance nominale
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  • seminaire SFEN5/4/20145 1.3 Emplacement (surface)
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  • 1.4 Emplacement (profondeur)
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  • seminaire SFEN5/4/20147 1.5 Structure du collisionneur
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  • 1.6 Complexe dinjection
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  • seminaire SFEN5/4/20149 1.7 Principe dopration 1. Cyclage des aimants, injection et accumulation de 12 faisceaux dans chaque anneau du LHC. Les deux faisceaux sont spars dans les sections communes (environ 30 minutes). 2. Acclration de 450 GeV 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 donnes pendant environ 8 10 heures. 5. Dcharge des faisceaux sur les blocs absorbeurs.
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  • seminaire SFEN5/4/201410 1.Lessentiel du LHC 2.Choix de conception et paramtres 3.Aspects de la dynamique des faisceaux 4.Aspects des solutions technologiques 5.Etat de la mise en route 6.Conclusions
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  • seminaire SFEN5/4/201411 2.1- 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. -Luminosit: en prsence de trs nombreuses contraintes et limitations: ! Maximiser nergie et luminosit tout en maitrisant les cots!
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  • seminaire SFEN5/4/201412 2.2- Termes de loptimisation Performance des supraconducteurs et industriabilit, Tolrance des aimants aux pertes partielles de faisceaux, Qualit de champ au 1/10000, Limite faisceau-faisceau sur N p / *, Limite de stabilit collective (N p, k b ), Limite de charge thermique due aux faisceaux nominaux, Risque de transition rsistive et de dommage, Limite de focalisation due aux aberrations optiques linaires et non-linaires, Respect des limites douverture des aimants, et beaucoup dautres.dont bien videmment les cots.
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  • seminaire SFEN5/4/201413 2.3- Parametres optimises - Champ magntique/Energie: 8.3 Tesla nominal 1.9K, (9 Tesla maximum ): 14 TeV centre-de-masse, marge de temprature de 1.4 K, soit < 30 mJ/cm 3. - Luminosit de 10 34 cm -2 s -1 avec = 15 heures - Intensit: 1.15 10 11 ppp 2808 (25 ns spacing), 360 MJ par faisceau, avec amlioration des injecteurs, systmes damortissement des instabilits collectives, chambre vide 2K double dun cran 10K, et un systme trs complet de collimation et de protection des composants de la machine. - Taille du faisceau: * = 16 m et max = 1.5 mm, obtenu grce un triplet focalisant de 24 m et de 215 T/m et un systme dvelopp de correction daberration optique. -
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  • seminaire SFEN5/4/201414 2.4a- Et aussi - 2 anneaux combins dans le mme cryostat. - 1232 dipoles de 15 m de long, 30 tonnes, 1.9K. - 474 lentilles de focalisation supraconductices, 3 9m de long, 1.9 K ou 4.5 K. - 7612 aimants de corrections du diple au 12-ple. - Ultra-vide sur 227km (10 -13 bar), pompes, cryopompage et NEG. - 1000 moniteurs de position de faisceau et beaucoup dautres systmes dobservation.
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  • seminaire SFEN5/4/201415 2.4b- Et aussi - Cryognie: 47000 tonnes de composants maintenus 1.9 K grce 120 tonnes dhlium refroidi, 170 kW de pouvoir rfrigrant 4.5 K + 1.9 K. - Acclration RF par 28 cavits supraconductrices de 2 MV 400 MHz. - Faisceau de 360 MJ, (80 kg de TNT), dont les pertes sont controles au 1/10000 par - 120 collimateurs en 3 tages, 1000 dtecteurs de pertes et un systme de dcharge ultra-rapide. -
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  • seminaire SFEN5/4/201416 1.Lessentiel du LHC 2.Choix de conception et paramtres 3.Aspects de la dynamique des faisceaux 4.Aspects des solutions technologiques 5.Etat de la mise en route 6.Conclusions
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  • seminaire SFEN5/4/201417 3.1- Les dfis de la dynamique de faisceau Les dfis particuliers au LHC sont lis aux non-linarites dordres levs: Stabilit des trajectoires linjection (maximum des erreurs de champ) Effet disruptif de linteraction faisceau-faisceau La haute intensit de faisceau apporte aussi sa moisson de phnomnes: Instabilits collectives Cration dun nuage dlectrons,
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  • seminaire SFEN5/4/201418 3.2- La qualit de champ Par nature, les aimants supra-conducteurs ont une qualit de champ moindre. De grands efforts dans la conception, fabrication et suivi qualit des aimants ont permis des objectifs trs ambitieux:
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  • seminaire SFEN5/4/201419 3.3- La dynamique perturbe Afin dviter une diffusion, il faut corriger les ordres suprieurs avec les milliers d aimants de correction (4 10 ples), organiss souvent en familles. Section espace des phases {x, p x }
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  • seminaire SFEN5/4/201420 3.4 Leffet disruptif de linteraction faisceau-faisceau Les collisions produisent la luminosit, mais aussi une forte perturbation de la dynamique, qui est la limite de performance du LHC: lorsque lintensit est augmente au del dun seuil assez bien dfini, on observe des phnomnes varis dgradant ou empchant la prise de donnes: cest la limite faisceau- faisceau. Elle nest que qualitativement comprise et dune nature trs complexe. La conception du LHC est fonde sur lexperience du SpS et Tevatron avec une bonne marge de scurit.
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  • 30 long-range interactions par IP, 120 au total 3.5 Schma de croisement Langle est de 0.02 degr
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  • seminaire SFEN5/4/201422 3.6 Leffet disruptif de linteraction faisceau-faisceau Transition vers le chaos
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  • Cette dynamique est riche et complexe, et a t tudie avec beaucoup de soin, au CERN et galement en collaboration (US-LHC). Linstrumentation de faisceau a t prvue la hauteur de cette complexit. Nous sommes donc optimistes. seminaire SFEN5/4/201423 3.7- Conclusion sur la dynamique de faisceau
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  • seminaire SFEN5/4/201424 1.Lessentiel du LHC 2.Choix de conception et paramtres 3.Aspects de la dynamique des faisceaux 4.Aspects des solutions technologiques 5.Etat de la mise en route 6.Conclusions
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  • Inner Cable Outer Cable Number of strands2836 Strand diameter1.065 mm0.825 mm Filament diameter7 m6 m Number of filaments~ 8900~ 6520 Cable width15.1 mm Mid-thickness1.900 mm1.480 mm Transposition length115 mm100 mm Ratio Cu/Sc 1.6 1.9 7000 km de cbles supraconducteurs Nb-Ti 4.1a- Le cble supraconducteur Nb-Ti
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  • 25 March 200326 4.1b- Le diple supraconducteur 2-en 1 Construction des masses froides: Alstom-Jeumont, Ansaldo, Babcock Noell N.
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  • + 3 tesla 4.1c- La motivation pour 1.9K
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  • 4.1d- La mise en cryostat
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  • 25 March 2003 Lucio Rossi - Superc. Mag. 29 6 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 dfi des interconnexions
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  • PhLDfis et progrs du LHC 30 4.2a- Principe de refroidissement des aimants du LHC lHe superfluide
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  • 14 May 2008L. Tavian LHC Cryogenics31 1.8 K refrigeration units (2.4 kW @ 1.8 K) 4.5 K Refrigerators (18 kW @ 4.5 K) 4.2b- Rfrigrateurs
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  • 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
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  • PhLDfis et progrs du LHC 33 Interception des charges thermiques induites par le faisceau 5-20 K (capillaires refroidis lhlium supercritique) Baffle de cryopompe protgeant la surface 1,9 K du rayonnement incident Surface en dents de scie faible rflectivit sur lquateur pour rduire le nuage dlectrons 4.3a- Lcran de faisceau
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  • 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
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  • seminaire SFEN5/4/201435 1.Lessentiel du LHC 2.Choix de conception et paramtres 3.Aspects de