Analyse et modélisation de l'effet des marées sur les réseaux de nivellement hydrostatiques du CERN

Analysis and filtering of the effect of tides on the hydrostatic levelling systems at CERN

• Auteur / Autrice : Julien Boerez
• Direction : Jacques Hinderer, Luis Rivera
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers
• Date : Soutenance le 21/02/2013
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Terre et Environnement (Strasbourg ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique du globe (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Masson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mark Jones
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean Chéry, Michel Kasser

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Grand collisionneur de hadrons

Géodésie

Gravimétrie (géophysique)

Marées terrestres

Mots clés libres

Hydrostatic Levelling System (HLS)

Nivellement hydrostatique

Inclinomètre

CERN

LHC

CLIC

Alignement vertical

Marées terrestres

Surcharges

Effets locaux

Effets de cavité

Hydrostatic Levelling System (HLS)

Tiltmeter

CERN

LHC

CLIC

Vertical alignment

Earth tides

Loads

Local effects

Cavity effects

Résumé

Les géomètres de la section Survey de l’Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire (CERN) utilisent le nivellement hydrostatique HLS pour effectuer des alignements verticaux précis. Le HLS atteint des précisions micrométriques, ce qui lui permet d’être utilisé pour les expériences à but de physique fondamentale comme le Large Hadron Collider (LHC). HLS mesure certes des déformations qui ont pour conséquence de désaligner tout accélérateur de particules lié au sol, mais il mesure également d’autres phénomènes aux caractéristiques bien particulières. Parmi ces phénomènes mesurés, les marées terrestres représentent une part très largement majoritaire du signal. Leur effet sur les mesures HLS est périodique et engendre une inclinaison longue base qui n’aboutit pas au désalignement relatif des aimants constitutifs d’un accélérateur. Les objectifs de ce doctorat sont de pouvoir prédire les effets ne perturbant pas l’alignement relatif d’un accélérateur de particules et ainsi corriger les mesures HLS de ces signaux. En effet, les tolérances planimétrique et altimétrique à respecter dans le domaine des accélérateurs de particules sont de plus en plus serrées. Par exemple, le Compact Linear Collider (CLIC), aujourd’hui à l’étude de faisabilité, nécessite une précision d’alignement à 3σ de 10 μm dans une fenêtre glissante de 200 m selon les directions transversale et verticale. Le HLS est candidat pour assurer cet alignement vertical mais l’amplitude de marée est d’environ +/-20 μm à 200 m, rendant nécessaire la prise en compte de ce phénomène longue base pour que l’instrumentation réponde aux besoins du CLIC. Ce doctorat est inspiré des travaux déjà réalisés sur les inclinomètres longue base et décrit les effets mesurés par HLS afin de classer ces phénomènes selon qu’ils désalignent ou non un accélérateur de particules. Enfin, les outils et modèles pour prédire les effets maitrisables sont utilisés pour anticiper les différents signaux mesurés par les HLS installés au CERN.

The surveyors of the Large Scale Metrology section of the European Organization for Nuclear Research (CERN) use hydrostatic levelling systems (HLS) to perform precise vertical alignment measurements. The HLS achieves micrometer accuracy, which allows it to be used for the fundamental physics experiments such as the Large Hadron Collider (LHC). An HLS measures the deformations that lead to the misalignment of any particle accelerator linked to the ground, but it also measures other phenomena with very particular characteristics. Among these measured phenomena Earth tides form the main part of the signal. Their effect on HLS measurements is periodic and produces a long baseline tilt that does not lead to a relative misalignment of the magnets that constitute the accelerator.The objectives of this doctoral research are to be able to predict the effects which do not disturb the relative alignment of a particle accelerator and to remove these signals from the HLS measurements. Indeed, the horizontal and vertical positioning tolerances to be respected in the realm of particle accelerators are becoming tighter and tighter. For example, the Compact Linear Collider (CLIC), currently the object of a feasibility study, requires a 3σ alignment accuracy of 10 μm in a sliding window of 200 m, in both the transverse and vertical directions. The HLS is a candidate for measuring the vertical alignment but the amplitude of the tidal effect is approximately +/-20 μm over200 m, making it necessary to take into account this long baseline phenomenon for the instrument to meet the CLIC requirements.This doctoral thesis is inspired by previous work on the long baseline tiltmeters and describes the effects measured by HLS in order to classify the measured phenomena according to whether they could produce a misalignment of a particle accelerator or not. Finally, the tools and models to predict those effects that are well understood are used to anticipate the different signals measured by HLS installed at CERN.