Le système de protection contre les transitions du LHC

Le nouveau système de protection contre les transitions (QPS) joue un rôle essentiel puisqu’il permet la détection précoce d’une résistance anormale dans toutes les parties des bobines et des barres omnibus supraconductrices et qu’il déclenche l’arrêt de la machine. Plus de 2000 nouveaux détecteurs vont être installés le long du LHC de façon à s’assurer que chaque segment de barre omnibus entre deux aimants est contrôlé et protégé.

L’ajout de deux nouveaux détecteurs au système de protection contre les transitions est l’une des principales activités de consolidation du LHC. Une transition résistive ou «quench» d’un aimant se produit lorsqu’une partie d’un câble supraconducteur devient résistive. Lorsque le système de protection détecte une résistance anormale, l’énorme quantité d’énergie stockée dans les chaînes d’aimants est extraite en toute sécurité et déchargée dans des résistances spécialement prévues à cet effet. Dans la chaîne de dipôles principale, l’énergie stockée dans un seul secteur du LHC est sensiblement équivalente à l’énergie cinétique d’un avion de ligne à vitesse de croisière.

Le premier des nouveaux détecteurs est conçu pour contrôler les barres omnibus supraconductrices, en particulier le raccord entre les segments – l’élément qui a provoqué l’incident dans le secteur 3-4 en septembre dernier. Le nouveau système pourra mesurer la résistance d’une barre omnibus à un nano-ohm près (soit un milliardième d’ohm) et détectera précocément une résistance anormale dans ces raccords.

«Avec un tel détecteur, nous aurions pu déceler le raccord défectueux dans le secteur 3-4 deux jours plus tôt, donc à temps pour éviter tout dommage», explique Knud Dahlerup-Petersen, membre de l’équipe chargée du système de protection contre les transitions. En tout, ce sont 2132 détecteurs qui vont être installés sur le LHC, de façon à assurer le contrôle de chaque segment de barre omnibus entre les aimants.

Le deuxième nouveau détecteur protège contre les «transitions symétriques».

Cette seconde phase d’amélioration du système de protection contre les transitions était initialement prévue pendant la première période d’arrêt hivernal. Cependant, en février de cette année, il a été décidé que le système devait être opérationnel avant le redémarrage du LHC. «Respecter ce délai nous a demandé beaucoup d’efforts, mais notre groupe (TE-MPE) a reçu l’aide d’autres équipes (en particulier du groupe TE-EPC) et d’autres départements (en particulier PH et EM), et nous avons bon espoir que l’ensemble du système sera prêt à temps», indique Knud Dahlerup-Petersen.

Les transitions symétriques n’ont été découvertes qu’en juin de l’année dernière, pendant la campagne d’entraînement dans le secteur 5-6. Une transition résistive peut parfois s’accompagner d’une transition symétrique dans les aimants voisins, provoquée par le transfert de chaleur entre les aimants. Elle est particulièrement difficile à détecter étant donné que la transition résistive se produit de la même façon dans les deux parties des bobines utilisées pour le signal. Le système de détection actuel compare les signaux de tension provenant des deux bobines afin de détecter une augmentation de la résistance dans l’une des deux. Cependant, si cette transition se produit au même moment dans les deux bobines, les deux signaux de tension sont identiques, et la transition échappe à la détection.

Le nouveau système de protection contre les transitions contrôle la tension à l’intérieur de 4 dipôles (ou de 2 quadripôles) voisins, ce qui permet de détecter une transition symétrique tout en constituant une méthode de détection complémentaire pour les transitions «normales» (c’est-à-dire asymétriques). Toutefois, le système de mesure 4-aimants repose sur une technologie numérique de détection des transitions, au contraire du système actuel, qui utilise l’électronique analogique. «On sait qu’il est très difficile de trouver des équipements numériques qui ne se dégraderont pas dans un milieu fortement radioactif; nous avons donc dû choisir les composants avec soin», précise Knud Dahlerup-Petersen. «Nous avons maintenant terminé les essais d’irradiation sur le premier prototype et nous sommes globalement prêts à débuter la production en série des cartes du système de détection appelé SymQ.»

Les milliers de nouvelles cartes seront installées dans 436 châssis le long du LHC. Leur conception complexe a demandé une période de R&D relativement longue, il est donc trop tard pour confier la production à une société extérieure. Par conséquent, une ligne de production a été établie dans un atelier du CERN pour l’assemblage de l’ensemble des unités de protection.

L’amélioration des systèmes d’alimentation sans coupure (UPS), projet mené par le groupe EN-EL, est une autre mesure importante. L’UPS fournit l’énergie aux parties essentielles de la machine, en particulier au système de protection contre les transitions, et ce même en cas de problème sur le réseau électrique. Toutefois, ce n’était pas un système à sécurité intégrée puisque certains de ses éléments n’étaient pas pleinement redondants. Pendant la phase d’ «extraction de l’énergie», qui peut durer jusqu’à 6 minutes dans les dipôles, le système magnétique était à la merci d’une défaillance de l’UPS. De nouveaux câbles ont été installés et des modifications ont été apportées à l’UPS pour s’assurer qu’il existe une solution de secours pour toute la partie de l’UPS qui alimente les éléments du système de protection contre les transitions.