LHC dipole magnets in the tunnel
A chain of LHC dipole magnets inside the tunnel at point 1 (ATLAS) towards the end of Long Shutdown 2 (LS2).When the Large Hadron Collider (LHC) begins Run 3 next year, operators aim to increase the energy of the proton beams to an unprecedented 6.8 TeV. (Image: CERN)

Le LHC

LS2
Une chaîne d'aimants dipôles du LHC à l'intérieur du tunnel au point 1 (ATLAS) pendant le deuxième long arrêt (LS2). (Image : CERN)

Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) est l’accélérateur de particules le plus grand et le plus puissant du monde. Il a été mis en service le 10 septembre 2018. Il a connu deux périodes d'exploitation : la première, de 2010 à 2013, la deuxième de 2015 à 2018 ; la troisième débutera en 2022.

Le LHC consiste en un anneau de 27 kilomètres équipé d’aimants supraconducteurs servant à diriger et à focaliser deux faisceaux de particules de haute énergie. Les deux faisceaux de particules se déplacent en sens opposé dans deux tubes de faisceaux distincts à une vitesse proche de celle de la lumière, avant d’entrer en collision à l'intérieur de détecteurs.

Pour accélérer les particules, les accélérateurs sont dotés d'enceintes métalliques, appelées cavités radiofréquence (RF), où est créé un champ électromagnétique. Les particules chargées injectées dans ce champ reçoivent une impulsion électrique qui les accélère.

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(Image: CERN)

Améliorations réalisées pendant le LS2

Amélioration de l'isolation électrique des diodes à la jonction de plus de 1 200 aimants

Les dipôles, qui occupent 18 des 27 kilomètres de l'anneau, servent à incurver la trajectoire des faisceaux de particules. Ils sont alimentés par un courant électrique intense (jusqu'à 13 000 ampères) ; ce courant doit pouvoir être extrait en toute sécurité en cas de besoin. À cette fin, une diode est fixée à chaque jonction entre deux dipôles, ce qui permet de créer un circuit parallèle où le courant peut être dévié.

Pour éviter les courts-circuits, les débris métalliques présents à proximité des diodes ont été retirés à l'aide d'un aspirateur spécial associé à une caméra endoscopique. L'isolation électrique des diodes a également été améliorée par le développement et l'installation de 1 232 capuchons isolants.

Remplacement de 22 aimants supraconducteurs

Pendant le LS2, 19 dipôles et trois quadripôles ont été remplacés ; les ensembles cryogéniques pour le projet HL-LHC ont été installés, de même que l'instrumentation supplémentaire permettant d'étudier les charges thermiques créées par le faisceau.

Consolidation des arrêts de faisceau

Les arrêts de faisceau du LHC sont constitués d'un absorbeur en graphite de 8 mètres de longueur, inséré dans un tube d'acier inoxydable de 12 millimètres d'épaisseur. L'ensemble, encastré dans un blindage en acier, pèse environ 7 tonnes et est rempli d'azote.

L'une des principales modifications concerne le système de support de l'absorbeur, désormais suspendu par des câbles en acier très résistants, afin de permettre une meilleure absorption des chocs. Afin d'éviter la propagation des vibrations, la ligne de transfert en provenance du LHC est maintenant désormais déconnectée physiquement de l'absorbeur ; les faisceaux voyageront dans l'air sur environ dix mètres. Les travaux d'amélioration incluent également l'installation de nouvelles « fenêtres » en alliage de titane encadrant le passage du faisceau, qui permettent d'enfermer la partie en graphite de l’absorbeur dans son atmosphère d’azote.

De nouveaux collimateurs

Seize nouveaux collimateurs ont été installés dans l'accélérateur au cours des trois dernières années, en préparation de la troisième période d'exploitaiton du LHC, et du futur LHC à haute luminosité (HL-LHC).

Les collimateurs sont installés dans deux zones du LHC (aux points 3 et 7 de l'anneau) et autour des quatre grandes expériences (ALICE, ATLAS, CMS et LHCb). Il s'agit de dispositifs comportant des mâchoires qui se referment autour de l'anneau pour absorber les particules égarées. Les matériaux constituant ces mâchoires sont capables de résister à des conditions de pression et de température extrêmes, ainsi qu’à des niveaux élevés de radiation. Certains des collimateurs ont une ouverture fixe, afin de protéger les aimants environnants.

Trois types de collimateurs ont été installés : quatre collimateurs primaires, huit collimateurs secondaires et deux absorbeurs passifs à ouverture fixe.

 

 


 

Nouvel absorbeur de faisceau

Un absorbeur de faisceau interne arrête les particules égarées pour éviter qu'elles n'aillent endommager l'accélérateur. Le nouvel absorbeur TDIS est constitué de trois modules, chacun mesurant 1,6 mètre, et remplace une unité constitué d'un seul élément mesurant un peu plus de quatre mètres.

Les modules comportent deux mâchoires, semblables à celles d'un collimateur, faites de matériaux de densité croissante, à savoir graphite, titane et cuivre, sur toute la longueur de l'absorbeur, qui ralentissent puis arrêtent le faisceau. L'un des avantages de cet absorbeur de faisceau est sa dimension réduite, grâce à une conception optimisée.

Préparatifs pour le HL-LHC : l'absorbeur TANB

Deux nouveaux absorbeurs TANB ont été installés de part et d'autre de l'expérience LHCb afin de protéger les pièces de l'accélérateur. Si l'on accroît le nombre de collisions, et donc le nombre de particules en circulation, il est impératif de renforcer la protection de l'équipement du LHC, car des particules qui s'écartent de la trajectoire peuvent entrer en collision avec des composants sensibles, tels que les aimants supraconducteurs, et gêner leur fonctionnement.

Puissance cryogénique accrue au point 4 du LHC

Le système de refroidissement du LHC est constitué d'îlots cryogéniques comportant au total huit unités de réfrigération d'hélium. Chacun des points de l'accélérateur portant un numéro pair (à savoir les points 2, 4, 6 et 8) contient deux unités de réfrigération, l'une datant de l'époque du LEP (Grand collisionneur électron-positon) et l'autre, plus récente, installée pour le démarrage du LHC. L'unité de réfrigération héritée du LEP comporte deux boîtes froides, l'une en surface et l'autre en aval dans le tunnel, pour refroidir l'hélium à température ambiante : la première fait descendre la température à 20 K (-253,15°C) et la deuxième de 20 K à 4,5 K. Le système comporte également une unité, située dans une caverne, produisant de l'hélium superfluide à 1,9 K.

Les unités de réfrigération du point 4 sont cruciales pour le HL-LHC, car elles doivent, non seulement refroidir les secteurs 3-4 et 3-5, mais aussi les sections où sont installées les cavités radiofréquence, qui ont besoin d'une grande puissance de refroidissement.

Pour arriver à produire cette puissance supplémentaire de 2 kW, les quatre turbines et les échangeurs de chaleur situés dans chacune des boîtes froides situées au point 4 ont été remplacés par des équivalents ayant une performance plus élevée. Cette tâche était relativement simple pour la boîte froide en surface, facilement accessible, mais plus ardue pour la boîte froide située dans le tunnel.

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