Les nombreux capteurs et logiciels du FRAS (Full Remote Alignment System) développés au CERN ont été testés avec succès sur un prototype d’aimant en préparation pour le HL-LHC.
» Face à une machine de 27 km de long dont les composants doivent être alignés à quelques dixièmes de millimètres près, voire parfois à quelques micromètres, les géomètres du CERN ne peuvent plus considérer la Terre comme sphérique, encore moins plate : toutes les les détails de sa forme elliptique (géoïde) entrent en jeu. » C’est ainsi qu’Hélène Mainaud-Durand (BE-GM) décrit les défis liés à l’alignement des aimants et des autres composants du HL-LHC.
Ces difficultés technologiques majeures ont été rencontrées pour la première fois lors de l’installation et de l’exploitation du LHC et sont encore plus délicates avec les contraintes du HL-LHC. Le nouveau système d’alignement à distance (FRAS) du HL-LHC, qui a réussi son premier test avec brio cet été, sera un outil clé pour relever les futurs défis d’un alignement sûr.
Le FRAS est un système d’alignement composé de près d’un millier de capteurs répartis le long des 200 mètres de nouveaux aimants installés de part et d’autre des détecteurs ATLAS et CMS. Les capteurs, accompagnés de leurs composants électroniques et logiciels et d’un système de vérins motorisés sur lesquels reposeront certains composants, seront utilisés pour ajuster les positions relatives des composants à distance, en temps réel, sans intervention humaine nécessaire dans la caverne. . Il s’agit d’une exigence cruciale dans l’environnement irradié du HL-LHC.
Même si un système télécommandé similaire a déjà été déployé le long de 50 mètres d’aimants à l’intérieur de l’accélérateur actuel, le FRAS, qui couvrira une plus grande distance, est innovant à plusieurs égards. La tolérance d’alignement sera la même qu’aujourd’hui (+/- 0,15 mm) mais le système couvrira une distance beaucoup plus grande (200 m au lieu de 50 m).
Le nouveau système dispose de deux technologies d’alignement différentes. La première est une technologie capacitive classique basée sur des mesures de distance entre plusieurs capteurs répartis le long de la rangée d’aimants et reliés par un fil de 220 mètres de long intégré aux capteurs et composants du HL-LHC.
Bien que ce système utilise des technologies connues, des adaptations majeures ont été nécessaires pour répondre aux exigences spécifiques du HL-LHC : pour protéger les capteurs des rayonnements, leur électronique en est séparée, reliée à eux par des câbles de 120 mètres de long réalisés en de matériaux adaptés au milieu hostile, un défi technique majeur.
De plus, ce premier système est complété par une deuxième technologie nouvelle appelée interférométrie à balayage de fréquence (FSI). Cette technique consiste à mesurer la distance entre l’extrémité d’une fibre optique (la tête de mesure) et plusieurs cibles constituées de sphères de verre réfléchissantes spécialement développées pour être utilisées dans ce système. Cette ingénieuse technologie, qui ne nécessite pas de câbles (seule une fibre optique est nécessaire), servira non seulement à confirmer les mesures effectuées avec le premier système mais aussi, pour la première fois, à déterminer la position des masses froides à l’intérieur du cryostats à aimants.
» La technologie FSI a été développée en interne et est le fruit de huit années de recherche et développement menées conjointement par plusieurs groupes du département BE, avec l’aide de nombreuses équipes du Laboratoire. Utilisant une méthode déjà éprouvée et testée au National Physical Laboratory au Royaume-Uni, nous avons pu concevoir une solution adaptée à nos propres besoins et pour laquelle plusieurs autres laboratoires de physique ont déjà manifesté leur intérêt. Maîtriser cette technologie au CERN, c’est aussi avoir toutes les cartes en main. prêt pour la phase d’industrialisation des capteurs qui débutera prochainement », explique Mainaud-Durand.
Après son baptême du feu sur un prototype d’aimant au laboratoire de métrologie cet été, le FRAS sera d’abord testé sur les aimants du HL-LHC au niveau de la chaîne de test des triplets internes (IT-String) en 2024, avant d’être finalement installé dans la caverne pendant Long Shutdown 3 (LS3), prévu pour 2027.