Amélioration du système de protection des aimants du LHC

Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) a connu début septembre son deuxième arrêt technique programmé depuis le début de l’exploitation à 6,5 téraélectronvolts (TeV) par faisceau. Ces arrêts réguliers permettent aux ingénieurs et aux techniciens d'assurer la maintenance de la machine et de vérifier que tous ses composants fonctionnent correctement.

« Diverses tâches ont été prévues pour cet arrêt technique, explique Marzia Bernadini, du département Ingénierie du CERN, responsable de la planification et de la coordination des travaux. Outre les nombreuses opérations de maintenance et de consolidation effectuées cette semaine, l’objectif principal était d’installer au point 4 quatre détecteurs de vertex faisceau-gaz, et de remplacer plus de 1000 circuits électroniques du système de protection contre les transitions résistives (QPS) ».

La fonction du QPS est de détecter toute modification de la tension dans les aimants supraconducteurs du LHC. Ces aimants, qui guident les faisceaux de particules le long des 27 kilomètres de l'accélérateur, fonctionnent à des températures très basses (1,9 K, soit -271,3° C). Une quantité même minime d'énergie dégagée à l'intérieur de l'un d'entre eux peut provoquer l’échauffement des matériaux supraconducteurs au-delà de la température critique, provoquant une perte de supraconductivité. Ce phénomène s'appelle une transition résistive ou « quench » et il suffit d’un millijoule – l’énergie libérée par une pièce d’un centime d’euro tombant de 5 cm – pour qu’il se produise. Lorsque cela arrive, le courant doit être extrait très rapidement et en toute sécurité. Le système de protection des aimants contre les transitions résistives est l’un des éléments clés de la conception du système magnétique du LHC, dans lequel les circuits électroniques jouent le rôle des yeux et des oreilles du système QPS.

Plus de 1000 circuits électroniques qui font partie du système de protection contre les transitions résistives (QPS) ont été remplacés (Image : CERN)

« Le LHC contient plusieurs milliers de circuits électroniques du QPS, explique Andrzej Siemko, qui dirige le groupe Protection des machines et intégrité électrique du département Technologie du CERN. Parmi les circuits, ceux qui assurent la protection des principaux jeux de barre  des dipôles se montrent plus sensibles que prévu aux rayonnements et doivent donc être remplacés ».

À cause de cette sensibilité, il s’est avéré difficile d'augmenter l'intensité du faisceau dans le LHC. En effet, les puces électroniques ne fonctionnaient plus lorsqu'un certain nombre de paquets de protons étaient injectés et accélérés à l'énergie maximale. Andrzej Siemko précise que la machine n’a couru aucun danger car les circuits électroniques en question ne constituent qu'un seul des trois systèmes indépendants qui surveillent la « santé électrique » des aimants. L'objectif est d’avoir des systèmes redondants pour plus de sûreté.

L'équipe pense que ce sont les modifications effectuées au cours du long arrêt du LHC, qui a pris fin en avril, qui sont à l’origine du problème. En effet, pour tester certaines connexions, il a fallu modifier légèrement des circuits. Qui ont donc ont été remplacés. La solution dans l’immédiat est de remettre en place les circuits d’origine qui ont parfaitement fonctionné pendant les trois premières années d'exploitation du LHC.

Plus de 1000 circuits ont ainsi été remplacés, un travail qui a été suivi par toute une série de tests destinés à contrôler la qualité des connexions électriques et par des essais de mise sous tension. La sécurité a été la priorité absolue de l'équipe internationale responsable des travaux. Lors d'une récente réunion de planification Bruno Puccio, coordinateur technique, l’a rappelé aux ingénieurs et techniciens : « Le plus important est la sécurité ; la deuxième chose importante est, la qualité du travail. Prenez le temps nécessaire pour faire du bon travail afin que le LHC puisse redémarrer dans les meilleures conditions ».