Concepts de systèmes pour l’alignement de la MDI du FCC

FCC-ee Machine Detector Interface Alignment System Concepts

• Auteur / Autrice : Léonard Watrelot
• Direction : Stéphane Durand, Mateusz SOSIN
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, génie mécanique, génie civil. Métrologie
• Date : Soutenance le 19/09/2023
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Géomatique et Foncier. Équipe de Géodésie et de Géomatique (Le Mans) - Laboratoire Géomatique et foncier
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Conservatoire national des arts et métiers (France ; 1794-....)
• Jury : Président / Présidente : Andréa WIESER
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Durand, Andréa WIESER, Andreas ARCHENTI, Cornelia ESCHELBACH, Mika Masuzawa, Mateusz SOSIN
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andreas ARCHENTI, Cornelia ESCHELBACH

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie nucléaire -- Recherche -- Laboratoires

Mots clés libres

Fcc

Métrologie

Mdi

Cern

Alignement

Topométrie

Fcc

Metrology

Mdi

Surveying

Alignment

Fcc

Résumé

Cette thèse a été effectuée dans le cadre de l’étude du collisionneur de lepton faisant partie du projet de futur collisionneur circulaire (FCC) au CERN, devant être construit en 2040, après l’amélioration du grand collisionneur de hadrons. Cette étude se concentre en particulier sur l’alignement, et le suivi, de composants de l’accélérateur installés à l’intérieur du détecteur. Cette zone correspond à l’interface entre l’accélérateur et le détecteur (appelée machine detecteur interface – MDI), proche du point d’interaction où se déroulent les collisions. Les éléments à aligner (quadrupôles, solénoïdes) vont être très difficile d’accès et dans des conditions difficiles : radiations, champs magnétiques et températures cryogéniques. Des tolérances d’alignement très exigeantes sont aussi attendues, de l’ordre de quelques dizaines de micromètres. L’étude des MDI existantes, ainsi que des projets de MDIs pour les collisionneurs du futur, ont montré que les systèmes existants ne sont pas capables d’atteindre les attentes de ce projet en termes d’alignement. Une nouvelle stratégie est donc proposée, basée sur deux systèmes distincts : un premier système d’alignement mesurant les positions des éléments situés dans le détecteur, et un second système permettant le transfert de cet alignement entre les deux côtés du détecteur. Ce deuxième système sera composé d’un réseau dense de mesures de distance basé sur la technologie d’interférométrie par balayage de fréquence (Frequency Scanning Interferometry – FSI), permettant d’utiliser la mesure multi-cibles, densifiant le réseau sans en augmenter la complexité. Le système interne est quant à lui composé d’un système de mesure de déformation (du support des éléments étudiés) effectué grâce à une nouvelle technologie. Ce capteur est capable de mesurer les longueurs 3D de plusieurs portions d’une même fibre optique, séparées par des miroirs semi-réfléchissants. Un réseau de plusieurs de ces fibres placées en formes d’hélices permet une mesure précise des déformations du support étudié. Des simulations sur ce système faites par un code python, écrit dans le cadre de cette thèse, montrent une précision micrométrique de la mesure de déformation. Des simulations prenant en compte les deux systèmes d’alignement montrent également une précision micrométrique pour l’alignement des composants de la MDI. Il est important de noter que le design de la MDI du FCC-ee est encore balbutiant et que de nombreux changement sont attendus, changements qui impacteront les précisions calculées jusqu’ici. La deuxième partie de la thèse se concentre sur le capteur au sein du système mesurant les déformations, basé sur la mesure de distance le long d’une fibre optique. Deux technologies sont capables d’effectuer ces mesures : le SOFO (Surveillance d’Ouvrages par Fibres Optiques) qui est actuellement resté au niveau de prototype, et le FSI (interférométrie par balayage de fréquence) actuellement développé au CERN. Un banc de test a été créé afin étudier ce capteur FSI et de vérifier sa capacité à mesurer simultanément et indépendamment plusieurs portions d’une même fibre, en permettant une mesure simultanée avec une mesure de distance interférométrique classique. L’utilisation de connecteurs de fibres optique classique en tant que miroirs semi-réfléchissant fût responsable d’un bruit de mesures trop élevé du système pour son utilisation voulue. Mais cela fût corrigé par l’utilisation de miroirs semi-réfléchissants directement imprimés dans la fibre grâce à un laser UV, diminuant le bruit de mesure à 2 µm. La dernière partie de la thèse fût consacrée aux explorations, notamment des autres utilisations possibles du système de mesure de déformation, ou encore d’un système de déplacement des composants de la MDI à distance, sans avoir à les démonter. Enfin, une réflexion est proposée sur la possible communication entre le système d’alignement de la MDI et les systèmes d’alignement des sous détecteurs.

This thesis is in the framework of the lepton collider part of the Future Circular Collider project, aiming to be the next flagship project at CERN after the High Luminosity upgrade of the Large Hadron Collider, in 2040. The study focuses on the alignment, and monitoring of the alignment, of some accelerator components located inside the physics detector, close to the collision point. This area corresponds to the interface between the accelerator and the detector, called the machine detector interface (MDI). The studied components (quadrupoles, solenoids) will be very difficult to access and in harsh conditions, as high radiations doses, magnetic fields and cryogenic temperatures are expected. Tight alignment requirements are also needed, being only tens of micrometers for these components. These conditions prevent the use of existing systems installed in other MDIs, but also for project systems planned for next generation colliders. A new strategy for the alignment of this area has therefore been proposed, based on two sub-systems. One of these systems is operating on the components, inside the detector, while the second will be used to transfer the alignment from one side of the detector to the other. This last system is composed of a dense network of interferometric distance measurements, based on the frequency scanning interferometry (FSI), and could therefore use its multitarget capabilities to keep satisfactory uncertainties. The system placed inside the detector, measuring on the studied components, is based on a new technology used for the monitoring of the deformation of the components support, indirectly determining their alignment. This new technology is a sensor able to measure simultaneously and independently the 3D lengths of multiple portions of a single optical fiber, separated by semi-reflective mirrors. A network of such sensors, placed in helical shapes along the support, allows a precise deformation monitoring of this support. Simulations, performed with a python code written in the framework of this thesis, showed micrometric uncertainties for the alignment monitoring of two components located on opposite sides of the detector, which is satisfactory. Though, it must be kept in mind that the design of both the detector and the accelerator are still under study and will most likely change, which will impact the design of the alignment system and its performances. The second part of the thesis is dedicated to the study of the new technology used for the deformation sensor. Two systems are currently able to perform such measurements: the SOFO (Surveillance d’Ouvrage par Fibre Optique) currently locked and stopped at a prototype state, and an FSI system currently developed at CERN. A test bench has been created to study and confirm this FSI sensor characteristics and behavior. This bench had a multiple portions fiber, studied by comparison with regular interferometric distance measurements. Results were very satisfactory, with independent and simultaneous measurement, as expected. Even though the measurement noise was too big when using fiber connectors as semi-reflective mirrors, it has been corrected by using semi-reflective mirrors printed directly inside the fiber thanks to a UV laser, going down to a 2 μm. The last part of the thesis is dedicated to exploration, starting by the other possible applications of the deformation system. The study of additional systems, such as an adjustment system for the components difficult to access was discussed, underlining their advantages in such complex design. Finally, a reflexion about a link between the design alignment system and the physic detector alignment systems was proposed, as such communication and interaction between two different entities, rarely done so far, could represent advantages for both.