Engineering study, development and prototype fabrication of the Supporting System for the CLIC Two-Beam Module - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2016

Engineering study, development and prototype fabrication of the Supporting System for the CLIC Two-Beam Module

Etude d’ingénierie, développement et fabrication prototype du système de support pour le module CLIC de double faisceau

Résumé

CERN, the European Organization for Nuclear Research, is based on the international collaboration in the field of high-energy particle physics research. The experiments carried out in its facilities are achieved through the existing particle accelerators. In addition, advanced accelerator research and development is one of the goals of CERN. For this reason, CLIC (the Compact LInear Collider) a new electron-positron linear accelerator is being studied at CERN. CLIC is built by the assembly of the Two-Beam Modules and takes advantage of an innovative acceleration principle, the Two-Beam acceleration. Each Module contains several technical systems that contribute to its successful operation. This thesis presents the development of the prototype supporting system for the CLIC Two-Beam Module. At first, the physics requirements are translated into technical specifications and the fundamental parts of the supporting system are defined. The CLIC operational conditions are identified and the corresponding boundaries are applied on the design of the supporting system. A thorough study was conducted and presents the materials and configurations that were simulated and analysed to arrive to the choice of the baseline and alternative solutions for the supporting system. A prototype fabrication is designed and realized based on the industrial manufacturing possibilities. At that point the innovative production is divided into fabrication cases according to the uniqueness of each case. Afterwards an analytical description of the conducted qualification controls follows for the first delivered prototypes. The constructed supporting systems were positively validated and installed. Based on these results, an extended experimental phase was launched. The materials of these first prototypes were irradiated with equivalent doses that simulated the future radiation background of CLIC. Mechanical tests for the behaviour of the structural materials took place, simulating the future operational conditions (static loading, etc.) of the supporting system. Their results were analysed and discussed both for irradiated and reference specimens. The conclusions summarize the results of the study. Simulation and experimental results are cross-checked and compared. The thesis goes through all the steps of the prototype fabrication for the Module supporting system. Emphasis is given on the investigation of the critical points and the answers provided along the progress of the study.
INTRODUCTION CERN, le Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, est basé sur la collaboration internationale dans le domaine de la recherche en physique des particules de haute énergie. Les expériences qui ont lieu dans ses installations sont conduites à l'aide des accélérateurs des particules existants. En outre, la recherche et le développement des accélérateurs est l'un des objectifs du CERN. Pour cette raison, CLIC (le Compact LInear Collider) un nouvel accélérateur linéaire d’électron-positon est à l'étude au CERN. CLIC est construit par l'assemblage des modules à deux faisceaux (Two-Beam Modules) et tire profit d'un principe d'accélération innovant, l'accélération à deux faisceaux. Chaque module contient plusieurs systèmes techniques qui contribuent à l’efficacité son fonctionnement. Cette thèse présente le développement du système de support mécanique de prototype pour le CLIC Two-Beam Module. Dans un premier temps, les exigences physiques sont converties en spécifications techniques et les éléments fondamentaux du système de support sont définis. Les conditions opératoires du CLIC sont identifiées et fondées sur les limites appliquées à la conception du système de support. Une étude approfondie a été réalisée et présente les matériaux et configurations qui ont été simulés et analysés pour arriver à la sélection de la ligne de base et des solutions alternatives pour le système de support. Une fabrication de prototype est conçue et réalisée sur la base des possibilités de fabrication industrielle. Après la description analytique des contrôles de qualification menée, les premiers prototypes ont été livrés. Les systèmes de support qui ont été construits, étaient aussi positivement validés et installés. Sur la base de ces résultats, une phase expérimentale prolongée a été lancée. Les matériaux de ces premiers prototypes ont été irradiés avec des doses équivalentes, simulant le fond de rayonnement futur du CLIC. Multiples essais mécaniques pour le comportement des matériaux de structure ont eu lieu, simulant les conditions futures d'exploitation (de charge statique, etc.) du système de support. Leurs résultats ont été analysés et discutés à la fois pour les échantillons irradiés et les échantillons de référence. Les conclusions résument les résultats de l'étude. Les simulations et les résultats expérimentaux sont comparés. La thèse passe par toutes les étapes de la fabrication du prototype pour le système de support de module. L'accent est mis sur les points critiques de l'enquête et sur les réponses fournies tout au long de l'étude. RESUME DE L’ETUDE La thèse de doctorat présente, comprend l'étude de l'ingénierie et de la fabrication pour le système de support du CLIC Two-Beam Module. Plus précisément, elle contient non seulement les informations nécessaires pour la conception, mais aussi les matériaux structurels et la sélection de la configuration. En plus, elle contient les études de simulation, les propriétés des matériaux, la fabrication de prototypes et le contrôle de qualité. La validation expérimentale et les résultats des analyses sont présentés dans l’étude menée pour le système de support du Module. Dans le chapitre 1, le CERN et le projet du CLIC sont brièvement présentés. L'objectif est d'étudier la liste de l'environnement scientifique, certaines informations d'introduction et les questions de faisabilité concernant la machine CLIC, ainsi que sa fabrication et l'installation. En outre, elle est considérée comme le successeur du LHC au futur programme de physique des particules du CERN, et il est prévu de procéder via les collisions e + e-. Dans le chapitre 2, le système de support de CLIC Two-Beam Module est décrit en détail. L'information concernant les exigences techniques pour le concept de la poutre, est fournie aussi sur les supports en forme de V et d'autres fonctions de soutien. Les systèmes d'alignement et de positionnement tels que les berceaux, les points d'articulation, les actionneurs et les capteurs d'alignement sont décrits. La combinaison de l'instruction de la condition de fonctionnement et la fonctionnalité des parties ont pour effet l'établissement de leur spécification technique. De cette manière, le système de support est défini et ses différentes composants sont décrites techniquement. Le chapitre 3 présente la conception technique du système de support mécanique de CLIC Two-Beam Module avec les étapes de développement correspondantes. Les poids des différents composants sont calculés et les conditions aux limites des sous-systèmes voisins avec les spécifications du Module, sont identifiées. L'enquête a conclu à un objectif intermédiaire de cette thèse; la définition de la ligne de base et de la configuration alternative pour le système de support, le matériel et la géométrie dédiés pour chacun de leurs composants. L'étude approfondie des configurations et les améliorations possibles sur leurs performances mécaniques sont considérées comme très importantes. Les études de simulation qui suivent, confirment les critères de référence et font avancer l'étude. Les études sur les modèles FEA concluent aux matériaux et aux configurations optimales. Elles fournissent également les solutions alternatives pour des raisons de comparaison. Dans le chapitre 4, la fabrication du premier prototype du système de support pour le CLIC avec divers matériaux possibles est présentée. Les différentes configurations pour les systèmes de support sont définies et divisées en cas de fabrication avec les stratégies individuelles. La production est de nouveau divisée en prototypes et en séries, afin de servir aux besoins du progrès significatif, rapide et efficace sur le projet. La fabrication du prototype est lancée, avec le suivi de production à l’échelle réelle pour les systèmes de support du Module CLIC, qui sont construits pour la première fois. La sélection détaillée des nombreux procédés industriels qui sont examinés, à conditions de prototypes selon la spécification CLIC CDR (Conceptual Design Report) dans les délais prévus. Les systèmes de support, récemment développés sont réalisée à partir du SiC et du matériel de fonte minérale innovante, l’Epument. En outre, l'étape d'optimisation avancée qui est obtenue après, a mis au point la conception technique couvrant tous les aspects ouverts restants, concernant le fonctionnement du système de support. Ensuite, la production en série a commencé avec une stratégie étape par étape pour la fabrication de base établie. Les résultats de la fabrication prototype étaient les systèmes fabriqués pour les Modules à installer dans CLEX (CLIC EXperimental hall) au CERN. Dans le chapitre 5, les mesures de qualification des modules prototypes sont présentées. Leurs mesures expérimentales et leurs essais modaux sont discutés et les résultats sont bien en accord avec les spécifications techniques prédéfinies. Les contrôles dimensionnels, les mesures modales et les essais de qualification prolongée prouvent la validité des deux productions de prototypes et de séries. A cette phase, la conception de base est confirmée d’être fiable. La rentabilité de la production globale est jugée satisfaisante. Cependant, l'optimisation de ce paramètre pourrait être envisagé pour l'avenir, en tenant compte d'une possible industrialisation de la production. Dans le chapitre 6, l'étude approfondie des matériaux utilisés pour les fabrications de prototypes est présentée. Le cadre du test mécanique (essai de compression uniaxiale, flexion de trois points, etc.) a pris en compte les échantillons de référence et les échantillons irradiés. Les irradiations neutroniques obtenues approchent dans un pourcentage satisfaisant le fond de rayonnement simulé de la future opération du CLIC. Les résultats de l'analyse par activation neutronique sont également extraits. Une méthodologie de test sans précédent est développée pour la sélection des matériaux de structure pour soutenir le système CLIC. Les matériaux candidats doivent satisfaire à toutes les propriétés mécaniques essentielles pour le bon fonctionnement du Module. En outre, les échantillons des matériaux devraient passer par la procédure expérimentale et prototype: •L'irradiation sous une énergie et flux de faisceaux de neutrons de haute énergie •Essais mécaniques avant et après l'irradiation •Les contrôles de qualité et de caractérisation de microstructure avant et après irradiation et les essais mécaniques La dernière partie de l'étude porte sur l'analyse des données provenant de l'essai expérimental post-production. Les propriétés de radioactivation des matériaux sont étudiées. L'étape suivante est continuée des séances d'irradiation qui fatiguent (à l'échelle micrométrique) les matériaux des systèmes de support. Enfin, les tests mécaniques qui ont suivi, ont confirmé que les matériaux choisis pour les prototypes et les séries peuvent résister à la fois au rayonnement et au temps de fonctionnement avec un facteur de sécurité très satisfaisant. En outre, la caractérisation expérimentale des matériaux par ces moyens a prouvé que les simulations préliminaires à lu, base de l'étude, sont couronnées de succès, car il est instauré sur une approche d'ingénierie soigneusement planifiée. Le résumé et les résultats sont présentés dans la section 7.2 suivie par les conclusions pertinentes. Les paramètres et les progrès de l'étude sont présentés à plusieurs reprises au cours des 3 dernières années pendant des réunions internes, des ateliers et à des conférences internationales apportant au public les résultats en cours. Le bon accord entre la simulation, le prototypage, la validation et les résultats expérimentaux sont publiés et commentés. Dans les pages précédentes une présentation complète de tous les aspects techniques de l'étude pour le système de soutien de CLIC Two-Beam Module est discutée à fond. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES Les conclusions générales de la thèse peuvent être résumées comme suit: •Des systèmes de support avancés sont nécessaires pour supporter, stabiliser, aligner et aider sur le repositionnement des accélérateurs de particules. Pour le CLIC Two-Beam Module, une étude portant sur le système de support globale a eu lieu. L'objectif de l'étude est la définition du niveau de référence et des solutions de rechange pour les matériaux et la configuration correspondante. Une spécification technique est délivrée pour le système de support CLIC Two-Beam Module en tenant compte des exigences de la physique des faisceaux. La fabrication du système de support du Module prototype est étudiée en fonction des technologies disponibles. Des simulations en éléments finis et des calculs analytiques ont été effectués pour identifier les problèmes potentiels. L’étude de faisabilité des composants du système de support à la taille réel a été faite. Les premières poutres de prototypes ont été livrées au CERN en Novembre 2010 pour des tests approfondis. •L'objectif de cette étude est la définition et la fabrication du système prototype du support CLIC avec l'alignement intégré et l'équipement de positionnement assemblé. Cette étude s’est avérée très difficile et les résultats des tests, également publiés dans la thèse de doctorat en cours, sont de première importance pour le développement et l'optimisation du CLIC Two-Beam Module. •Les prototypes des systèmes de support pour les Two-Beam Modules ont été spécialement mis au point et validés. Les prototypes fournis répondaient aux exigences strictes et aux paramètres dédiés, puisqu'ils sont inclus dans les spécifications techniques correspondantes. La stratégie de fabrication a pris en considération les limites micrométriques et les besoins d'assemblage précis. De cette manière, le comportement mécanique des systèmes de support rassure sa fonctionnalité pour être cohérent avec les spécifications de la machine CLIC. •Les études d'irradiation ont montré que les propriétés d'activation mesurées sur les matériaux de structure sont en accord avec les valeurs simulées et attendues. •En parallèle, l'analyse des données des essais mécaniques des échantillons irradiés et de référence, a été effectuée. Les premiers résultats sont en effet très positifs en révélant qu’il n’y a pas de changements significatifs aux propriétés mécaniques des matériaux fatigués. •La qualification pour les systèmes de support continue en suivant les leçons apprises. Toute tentative d'optimisation potentielle sera axée sur la réduction des coûts et l'industrialisation de la production. Pour la prochaine génération du complexe d'accélérateurs du CERN, une déclaration synoptique présente la situation: Même si aujourd'hui le LHC (Large Hadron Collider), le phare du CERN pour les expériences de physique des particules, continue de recueillir des données d’une nouvelle physique passionnante, le collisionneur linéaire des leptons de demain est répété. Grâce à l'étude difficile et aux spécifications d'ingénierie détaillée, la machine CLIC est en cours de préparation pour sa fabrication, même au cours de l'écriture de ces lignes. Cette étude est très difficile et les résultats des tests sont d'une importance primordiale à la réalisation d'un collisionneur de l'ère post-LHC. L'occasion pour accomplir l'étude de la thèse de ce doctorat avec la liberté d'un nouveau, et pas encore développé projet, est à la fois très excitante et stimulante. En effet, les résultats fructueux livrent les premiers systèmes de support pour les Modules CLIC, fonctionnant aujourd'hui avec d'excellentes performances. Il y a aussi quelques avis qui mentionnent que la technologie nécessaire pour la construction du CLIC n’est pas encore disponible et ne sera pas disponible au CERN dans le futur proche. La réponse est toujours donnée par des actes et du travail acharné. Pour toute l'équipe du Groupe de travail Module CLIC, tous les scientifiques et les ingénieurs qui travaillent pour la construction du collisionneur linéaire de prochaine génération, CLIC est un instrument novateur et précis de la recherche et de l'observation.
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Dates et versions

tel-01419342 , version 1 (19-12-2016)
tel-01419342 , version 2 (28-12-2016)

Licence

Copyright (Tous droits réservés)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01419342 , version 2

Citer

Nikolaos Nick Gazis. Engineering study, development and prototype fabrication of the Supporting System for the CLIC Two-Beam Module . High Energy Physics - Experiment [hep-ex]. UNIVERSITE DE GRENOBLE, 2016. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01419342v2⟩

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