Études visant à réduire les émissions de gaz à effet serre émis par les détecteurs de particules des expériences LHC du CERN

Studies to reduce greenhouse gases emissions from particles detectors operation at the CERN LHC experiments

• Auteur / Autrice : Gianluca Rigoletti
• Direction : Patrick Nédélec, Roberto Guida
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 25/03/2022
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon
• Jury : Président / Présidente : Imad Laktineh
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Nédélec, Roberto Guida, Cristina Cârloganu, Marco Paganoni, Gabriella Pugliese
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cristina Cârloganu, Marco Paganoni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Centre européen pour la recherche nucléaire

Détecteurs de gaz

Gaz à effet de serre -- Réduction

Grand collisionneur de hadrons

Mots clés libres

Detecteurs

Gaz

Particules

CERN

LHC

Gas detectors

CERN

LHC

Résumé

Une large gamme de mélanges gazeux est utilisée pour le fonctionnement de différents dé-tecteurs à gaz dans les expériences LHC du CERN. Certains de ces gaz, notamment C2H2F4, CF4, SF6 et C4F10, sont classifiés parmi les gaz à effet de serre (GHG) à fort potentiel de ré-chauffement planétaire (GWP) et soumis donc à une politique de réduction progressive de leurs prix et de leur disponibilité sur le marché. Ces gaz sont responsables de 70% des émis-sions GHG directes provenant du fonctionnement du CERN. L’objectif de l’Organisation est de réduire ces émissions de 28% d’ici à la fin de 2024 (année de référence : 2018). Le présent travail montre le développement de deux stratégies de recherche définies par le groupe gaz du CERN pour réduire les émissions GHG. Dans la mesure du possible, les détecteurs de grand volume sont exploités avec des systèmes de recirculation des gaz, reu-tilisant jusqu’à 90 % de ceux-ci. Ce travail de thèse se concentre sur l’optimisation des tech-nologies de système à gaz existantes afin d’améliorer les performances d’exploitation et de permettre une réduction supplémentaire de la consommation. En particulier, des logiciels de surveillance ont été spécialement conçues pour régler correctement les parties de contrôle des différents modules des systèmes à gaz. En outre, des pipelines d’analyse de données spécifiques ont été développés pour évaluer la performance d’un système à gaz et pour sur-veiller les consommations. Un deuxième axe de recherche examiné dans ce travail consiste en l’étude des performances des détecteurs RPC avec l’utilisation de gaz alternatifs. Les RPCs des expériences ATLAS et CMS fonctionnent actuellement avec un mélange gazeux à trois composants, principalement basé sur le C2H2F4 (GWP100 = 1430), environ 5 % de i-C4H10, et de 0,3 % de SF6 (GWP100 = 22800). En raison de la présence de fuites au niveau des détecteurs, le C2H2F4 domine l’ensemble des émissions GHG du CERN. Une alternative à ce gaz pourrait-être le R-1234ze, une molécule appartenant à la famille des Hydro-Fluoro-Olefins (HFO) avec un GWP100 de 7, tandis que des alternatives au SF6 ont été trouvées parmi les gaz de la famille Novec (Novec™ 4710 et Novec™ 5110), C4F8O, CF3I et Amolea™ 1224yd. Les performances des RPC avec des mélanges de gaz basés sur des gaz alternatifs ont d’abord été évaluées en laboratoire en étudiant l’efficacité du détecteur, les courants, la probabilité de formation de streamers, la charge, la cluster size et la résolution temporelle. Quelques mélanges de gaz sélectionnés ont ensuite été testés dans la Gamma Irradiation Facility du CERN qui fournit un faisceau de muons et un rayonnement gamma de fond, permettant de simuler les conditions de rayonnement du HL-LHC. Quelques mélanges ga-zeux ont montré des performances similaires en termes de rate de détection par rapport au mélange standard. Des études de performance à long terme ont été lancées et des études préliminaires sur la production d’impuretés dans les mélanges gazeux à base de HFO sont présentées dans ce travail, mettant en évidence que la molécule R-1234ze produit environ dix fois plus d’ions F- que la molécule C2H2F4.

A wide range of gas mixtures is used to operate different gaseous detectors at the CERN LHC experiments. Some of these gases, namely C2H2F4, CF4, SF6, C4F10, are classified as Greenhouse Gases (GHG) with a high Global Warming Potential, therefore subjected to a phase-down policy affecting their price and market availability. These gases are respon-sible for 70% of CERN particle detector operation’s direct greenhouse gas emissions. The Organisation’s objective is to reduce such emissions by 28% by the end of 2024 (baseline year: 2018). The present work shows the development of two main research strategies delineated by the CERN gas group to reduce GHG emissions. Wherever suitable, large detector volumes are operated with recirculating gas systems. The first part of this thesis focuses on optimizing existing gas system technologies to improve operating performances and further reduce gas consumption. In particular, dedicated monitoring infrastructures were designed to properly tune the active control parts of the different gas modules. Fur-thermore, specific data analysis pipelines were developed to evaluate a gas system’s per-formance and monitor gas consumption. A second research line examined in this work consisted of studying the performance of RPC detectors operated with eco-friendly gases. RPCs at ATLAS and CMS experiments are operated with a three-component gas mixture mainly based on C2H2F4 (R-134a, GWP100 = 1430), around 5% of i-C4H10, and a minor frac-tion of 0.3% of SF6 (GWP100 = 22800). Due to the presence of leaks at the detector level, C2H2F4 dominates the overall CERN GHG emissions. Alternatives to C2H2F4 were identi-fied in R-1234ze, a molecule in the family of HydroFluoroOlefins with a GWP100 = 7, while SF6 alternatives were found in the Novec family (Novec™ 4710 and Novec™ 5110), C4F8O, CF3I, and Amolea™ 1224yd. RPC performance with gas mixtures based on alternative gases was firstly evaluated in laboratory conditions by studying the detector’s efficiency, currents, streamer probability, prompt charge, cluster size, and time resolution. Few selected gas mix-tures were then tested at the Gamma Irradiation Facility, which provides muon beam and gamma background radiation, allowing to emulate the High Luminosity LHC background conditions. Few gas mixtures showed similar rate capability performance with respect to the standard gas mixture. Long-term performance studies were started, and preliminary studies on impurities productions for HFO-based gas mixtures are presented, showing the R-1234ze molecule produces an order of magnitude more F− ions than the C2H2F4 one.