Linac4
The Linac4 accelerator Copyright: Robert Hradil, Monika Majer/ProStudio22.ch (Image: CERN)

Les accélérateurs du CERN

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Le complexe des accélérateurs du CERN (Image : CERN)

Le complexe d’accélérateurs du CERN consiste en une succession de machines qui accélèrent les particules à des énergies croissantes. Chaque machine augmente l’énergie d’un faisceau de particules avant d’injecter celui-ci dans la machine suivante, jusqu'au Grand collisionneur de hadrons (LHC), qui est le dernier élément de la chaîne.

En 2020, l'accélérateur linéaire 4 (Linac 4) est devenu la source de faisceaux de protons du complexe d’accélérateurs du CERN. Le Linac 4 porte des ions d'hydrogène négatifs (ions H-, constitués d’un atome d'hydrogène doté d’un électron supplémentaire) à une énergie cinétique de 160 MeV pour les préparer à être injectés dans le Booster du Synchrotron à protons (PSB). Au moment de leur injection du Linac 4 dans le PSB, les ions sont débarrassés de leurs deux électrons, de sorte que ne subsistent que les protons. Ces derniers sont accélérés jusqu'à atteindre une énergie de 2 GeV avant d'être injectés dans le Synchrotron à protons (PS), qui accélère encore le faisceau pour le porter à 25 GeV. Puis les protons sont envoyés dans le Supersynchrotron à protons (SPS), où l’énergie du faisceau est portée à 450 GeV.

Enfin, les protons sont envoyés dans les deux tubes de faisceau du LHC dans lesquels les deux faisceaux de particules, chacun ayant été accéléré jusqu'à atteindre l'énergie record de 6,5 TeV, entrent en collision aux quatre points d'interaction du LHC ; c’est là que les quatre détecteurs principaux (ALICE, ATLAS, CMS et LHCb) enregistrent ces collisions de haute énergie.

Durant la troisième période d'exploitation du LHC, il est prévu d'accélérer chaque faisceau jusqu'à une nouvelle énergie record de 6,8 TeV.

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(Image: CERN)

Améliorations réalisées pendant le LS2

LINAC 3

Construit en 1994, le Linac 3 est le point de départ des ions, le plus souvent des noyaux de plomb, utilisés soit pour des collisions dans le LHC pendant des campagnes d'exploitation spéciales avec ions, soit pour des expériences à cible fixe.

De nouveaux équipements ont été installés afin d'augmenter sensiblement l'intensité et la qualité des faisceaux. Un nouveau four de grande capacité a été installé pour vaporiser le plomb ; il comprend un nouveau creuset spécialement conçu pour éviter les bouchons d'oxyde de plomb. L'ancien revêtement interne en acier inoxydable de la chambre à plasma a été remplacé par un revêtement en aluminium sur une épaisseur de 20 micromètres, mieux adapté à la production de faisceaux plus intenses. Un nouveau système d'extraction commandé à distance, qui prélève les ions plomb dans la chambre à plasma, permet à présent de mieux régler le faisceau extrait, et pourrait également accroître l'intensité du faisceau. En outre, les systèmes de chauffage et de ventilation de l'ensemble de l'installation ont été intégralement remplacés.

LINAC 4

Le Linac 4, la machine la plus récente de la chaîne d'accélérateurs du CERN, a été raccordée au reste du complexe d’accélérateurs en août 2020, en replacement du Linac 2, mis à la retraite. Cet accélérateur linéaire d'une longueur de près de 90 mètres est situé à 12 mètres sous terre, au tout début de la chaîne d'accélération du faisceau de protons. Le Linac 4 porte des ions hydrogène négatifs (ions H-, constitués d’un atome d'hydrogène doté d’un électron supplémentaire) à une énergie cinétique de 160 MeV, sensiblement plus élevée que les 50 MeV du Linac 2. Il fournit des faisceaux de protons à l'ensemble du complexe d’accélérateurs, du Booster du PS au LHC.

Booster du Synchrotron à protons (PSB)

Le Booster du Synchrotron à protons reçoit des faisceaux d’ions hydrogène négatifs du Linac 4 à une énergie de 160 MeV. Au moment de leur injection du Linac 4 dans le PSB, les ions sont débarrassés de leurs deux électrons, de sorte que ne subsistent que les protons, qui sont alors accélérés à 2 GeV avant d'être injectés dans le Synchrotron à protons (PS).

Le PSB a été entièrement remis à niveau pendant le LS2. Les modifications les plus importantes sont : le remplacement de l'intégralité du système d'accélération, qui comprend l'installation d'un système de radiofréquence (RF) à large bande universel, couvrant toute la gamme de fréquences requise, au lieu des trois systèmes RF à fonction séparée utilisés précédemment ; un nouveau système de refroidissement, avec des tours de refroidissement dans deux bâtiments rénovés ; un nouveau système d'alimentation électrique pour alimenter les aimants à une intensité de 5 500 ampères, contre 4 000 ampères auparavant ; une toute nouvelle région d'injection avec des aimants de déformation d'orbite rapides, des feuilles permettant d’arracher les électrons et une nouvelle instrumentation de faisceau pour permettre l'injection de H- avec échange de charge à partir du Linac 4.

En raison de l'énergie plus élevée et de l’utilisation d'ions hydrogène négatifs, les lignes de transfert du Linac 4 au PSB et les lignes de transfert du PSB au PS ont été entièrement remplacées ; de nouveaux aimants et de nouveaux absorbeurs de faisceau ont été ajoutés et l'instrumentation de faisceau a été modifiée. Une batterie de nouveaux capteurs, de moniteurs de positionnement de faisceau, de moniteurs de perte de faisceau et de scanners à fil ont été installés pour surveiller et mesurer les faisceaux de particules plus denses qui circuleront dans cette machine.

 


 

 

Synchrotron à protons (PS)

Le Synchrotron à protons (PS), d'une circonférence de 628 mètres, a été mis en service pour la première fois en 1959 ; il comporte 100 aimants principaux à température ambiante servant à incurver et à focaliser les faisceaux. Des tests réalisés ces dernières années ayant révélé des faiblesses dans le système des aimants, 50 aimants ont dû être remis à neuf. Sept d'entre eux ont été réparés durant le précédent long arrêt (LS1), et les 43 restants pendant le deuxième (LS2).

Pour faire face à une augmentation de près de 50 % de l'énergie d'injection (de 1,4 à 2 GeV), la ligne d'injection dans le PS de 20 mètres de long a été remplacée et un nouvel aimant à septum, quatre nouveaux aimants de déformation d’orbite et un nouvel aimant de déflexion rapide ont été installés, ainsi que deux nouveaux absorbeurs de faisceau internes. Un nouveau système RF large bande, dont le prototype avait déjà été testé avec faisceau avant le LS2, et de nouveaux amplificateurs à rétroaction ont été installés pour le système d'accélération RF principal afin de garantir la stabilité des faisceaux plus intenses et plus brillants.

Deux nouveaux détecteurs de profil de faisceau BGI (Beam Gas Ionisation - ionisation des gaz dans le faisceau) ont été installés pour que les opérateurs puissent obtenir des informations très précises sur la qualité des faisceaux, mais également en vue de préparer les faisceaux pour le futur LHC à haute luminosité.

Supersynchrotron à protons (SPS)

Le Supersynchrotron à protons (SPS), a une circonférence de près de sept kilomètres et fonctionne à une énergie allant jusqu'à 450 GeV.

Une augmentation de la puissance de la radiofréquence est nécessaire, en préparation des faisceaux du LHC à haute luminosité qui seront deux fois plus intenses. Une nouvelle technologie, développée par le CERN en collaboration avec l'industrie, a été déployée pour la première fois afin de remettre à neuf le système d'accélération du SPS : ses amplificateurs à semi-conducteurs sont au cœur des deux nouvelles unités qui alimentent deux des cavités accélératrices RF, avec une puissance de 1,6 mégawatts chacune. Les autres cavités, dont la configuration a été entièrement modifiée, continuent à être alimentées par les quatre unités de production électrique existantes d'une puissance de 1 mégawatt.

Pour renforcer la stabilité des faisceaux du SPS, qui auront une intensité accrue, une centaine de connexions entre les différentes chambres de faisceau ont été protégées par un blindage, limitant ainsi les interactions électromagnétiques indésirables entre le faisceau et les alentours. Les aimants de focalisation adjacents ont été enduits de carbone amorphe, une technologie développée au CERN pour éviter que des nuages d'électrons ne se forment en présence des faisceaux.

Remplacer l'absorbeur de faisceau du SPS par un nouveau, capable d'absorber des faisceaux de particules de haute intensité, sur une vaste gamme d'énergies (de 14 à 450 GeV), représente une autre remise à neuf majeure.

Un nouveau système de détection d'incendie pour le tunnel du SPS utilise à présent un mécanisme de détection de fumée par aspiration, capable d'aspirer de l'air à une distance de 700 mètres, et le système d'accès au tunnel a été entièrement revu.