Les nouveaux gardes du corps du LHC

Deux collimateurs à fil ont été installés dans le tunnel du LHC, de part et d’autre de l’expérience ATLAS. (Image : Max Brice, Julien Ordan/CERN)

Les collimateurs sont les courageux protecteurs du LHC. Ils absorbent toutes les particules qui s’échappent de la trajectoire du faisceau. Ces particules indisciplinées peuvent en effet endommager des zones sensibles de l’accélérateur, créer une transition résistive dans un aimant, et donc mettre en danger la stabilité de l’exploitation et la sécurité de la machine. Pendant l’arrêt technique hivernal en cours, deux types de collimateurs récemment développés ont été installés dans le LHC.

Le premier s’appelle TCTW (Target Collimator Tertiary Wire) et sa fonction est double. Comme son nom l’indique, un fil est intégré dans ses mâchoires, brasé sous vide dans les absorbeurs en alliage de tungstène. Un courant passant à travers le fil crée un champ électromagnétique qui permet de compenser les effets du faisceau opposé.

« On peut imaginer ce dispositif comme moitié collimateur, moitié aimant. En plus de nettoyer le faisceau et donc de protéger les équipements situés en aval, il agit sur le faisceau de manière électromagnétique afin de compenser les effets faisceau-faisceau longue distance, des perturbations considérées comme l’un des facteurs qui limitent la performance du LHC et du HL-LHC », explique Iñigo Lamas Garcia, du groupe Sources, cibles et interactions (STI) du département Ingénierie, chargé de l’installation de ces collimateurs.

Deux de ces collimateurs sont à présent placés au point 1, l’un en amont et l’autre en aval de l’expérience ATLAS. C’est la deuxième fois que des collimateurs à fils sont installés dans le LHC ; une opération semblable avait eu lieu au point 5 pendant l’arrêt technique hivernal prolongé de l’hiver passé. Ce nouveau type de collimateur a été développé pour le projet LHC à haute luminosité en collaboration avec les groupes Instrumentation de faisceau et Physique des accélérateurs du département Faisceaux dans le cadre du groupe de travail HL-LHC WP5 . « Nous les installons dans le LHC largement à l’avance afin de démontrer le concept, de valider la performance attendue et de fixer des points de repère pour les simulations », poursuit Iñigo Lamas Garcia.

Un autre type de collimateur, un TCPC (Target Collimator Primary Crystal), a été installé au point 7. Développé pour le projet HL-LHC par le groupe EN-STI, avec l’aide de la collaboration UA9, ce bijou du système de collimation constitue une alternative pour le nettoyage du faisceau – il utilise des cristaux courbes en silicium afin de dévier les particules du halo.

« Nous devons toujours capturer les particules, mais en théorie, avec les cristaux, nous pouvons le faire d’une façon plus propre et plus efficace, et en disposant l’appareil plus loin de la ligne de faisceau. », précise Iñigo Lamas Garcia.

C’est une technologie très prometteuse pour la phase à haute luminosité du LHC. Jusqu’ici, des collimateurs à cristaux ont été installés dans le Supersynchrotron à protons (SPS) et dans le LHC, où ils ont été testés pendant les périodes de développement machine. Ce nouveau système s’était révélé très efficace en 2017 avec des faisceaux d’ions de xenon, et il sera testé cette année avec des ions de plomb.

Les groupes EN-MME et EN-STI ont également développé un troisième type de collimateur, le TCSPM (Target Collimator Secondary Pick-up Metallic). Il est formé d’un matériau novateur, le graphite de molybdène, qui permet de réduire les perturbations électromagnétiques tout en protégeant les équipements avec autant d'efficacité. Un premier prototype, fabriqué au CERN par EN-MME, a été installé au point 7 pendant l’arrêt hivernal prolongé. Il avait été testé avec succès en 2017 par les équipes de BE, démontrant les performances escomptées. Pour le projet HL-LHC, la production d'une série de dix collimateurs de ce type a été lancée par EN-STI. Ils seront installés dans le LHC, près du point 7, durant le deuxième long arrêt technique (LS2).

Toutes ces innovations dans la technologie des collimateurs tirent leur origine du besoin de disposer d’un moyen plus performant de nettoyer le faisceau pour le LHC à haute luminosité, car l’intensité du faisceau sera alors bien plus élevée. Ces études sur l'amélioration du système de collimation sont menées dans le cadre d'un travail collaboratif au sein du secteur des accélérateurs et de la technologie.

Installation d’un collimateur à cristaux dans le LHC. (Vidéo : Ronaldus Suykerbuyk/CERN)