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A Study on Particle Accelerator Components Metrology and Alignment to the Nanometre scale

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Comment aligner de façon précise les composants d'un accélérateur

Au CERN, un réseau de formation doctorale financé par l'UE est parvenu à améliorer la précision de l'alignement des composants d'un accélérateur. Cette avancée devrait améliorer l'efficacité des futures expériences en accélérateur, que ce soit avec le Grand collisionneur de hadrons ou son successeur.

Recherche fondamentale

Représentant un véritable sommet en matière de réalisation scientifique, les accélérateurs de particules comme que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN exigent l'ingénierie de précision la plus avancée. Le CERN étudie un nouveau collisionneur, le Collisionneur linéaire compact (CLIC). Dans le cadre de ces études, il a mis en place PACMAN, un réseau de formation doctorale financé par l'UE, dont l'objectif est de résoudre certains des problèmes techniques de métrologie posés par l'alignement des composants d'un accélérateur à une précision micrométrique. Le CLIC poursuivra les travaux du LHC et permettra aux scientifiques du CERN d'étudier les collisions entre les électrons et les positrons à des énergies pouvant atteindre plusieurs téraélectronvolts. Dans sa configuration finale, les paquets d'électrons et de positrons seront accélérés sur plus de 25 km à partir de deux côtés opposés. Dès le début de sa conception, il est clairement apparu que l'alignement des 20 000 modules et systèmes techniques associés dans le tunnel de l'accélérateur posera un problème majeur. L'un des défis techniques sera d'aligner ces composants sur plusieurs centaines de mètres, afin de créer et entretenir le faisceau d'électrons le plus fin possible, ce qui permettra de produire le nombre maximal d'événements de collision. Pour le collisionneur CLIC, la taille du faisceau au point de collision sera de l'ordre d'un nanomètre verticalement et de 40 nanomètres horizontalement (il aura la forme d'un ruban). «L'objectif du réseau PACMAN est d'améliorer la précision de l'alignement des composants de l'accélérateur, ce qui exige une recherche multidisciplinaire combinant métrologie, usinage de haute précision, technologie des micro-ondes et mesures magnétiques», déclare le Dr Hélène Mainaud Durand, scientifique du CERN et coordinatrice du projet. Le réseau, financé pour une durée de quatre ans, comprenait dix étudiants en doctorat ainsi que des partenaires universitaires et industriels. Pour tester expérimentalement les nouvelles méthodes mises au point dans chaque projet, le faisceau d'électrons a été remplacé par un fil tendu qui traversait les composants de l'accélérateur. En utilisant des mesures magnétiques ou électromagnétiques, les chercheurs ont ainsi pu déterminer si le fil était positionné avec précision au centre des composants. «Cela a exigé une année de préparation: tous les étudiants ont dû se mettre d'accord sur le fil qui serait utilisé pour toutes les mesures ainsi que sur le matériel et les logiciels à utiliser», relate le Dr Durand. Les méthodes mises au point ont montré que, pour chaque de type de composant, il était possible de positionner le fil en son centre, de façon répétée et avec une précision d'un micromètre. «De telles précisions, qui n'avaient jamais été atteintes auparavant, nous permettront d'aligner rapidement les composants et également d'utiliser des méthodes automatisées pour gagner du temps», explique le Dr Durand. En utilisant des gabarits de positionnement externes, il sera possible d'aligner automatiquement les composants dans le tunnel de l'accélérateur, que ce soit au cours de leur assemblage à l'usine ou après le transport. Cet alignement pourrait être réalisé avec un niveau de précision inférieur à cinq micromètres. Au CERN, certaines méthodes mises au point par le réseau PACMAN seront appliquées aux composants du LHC, dans le cadre de sa mise à niveau en 2024 (projet LH-LHC). Celle-ci permettra d'augmenter le nombre d'événements de collision pouvant être observés dans le LHC. Ces méthodes ont également suscité un intérêt dans le domaine des accélérateurs médicaux, pour lesquels des tolérances d'alignement aussi strictes sont également imposées pour la radiothérapie du cancer. «Les méthodes développées par le projet peuvent également être transférées aux industries aérospatiale et automobile, aux télescopes de recherche ou à l'assemblage de satellites», ajoute le Dr Durand. Pour explorer ces possibilités, une autre étude a été lancée par le groupe Transfert de connaissances du CERN.

Mots‑clés

PACMAN, conception d'accélérateur de particules, Grand collisionneur de hadrons, Collisionneur linéaire compact, métrologie, composants d'accélérateur, alignement

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