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La physique de l’infiniment grand l’infiniment petit

Mécanique

Équipe

Responsable : Antoine Cauchois +33 1 69 33 56 53 Tous les contacts de l’équipe Mécanique

20 septembre 2017

Le service de mécanique est composé de 12 personnes réparties en 4 groupes (Étude et projet, Méthode et CFAO, Atelier et Service général). Il a pour mission l’étude, la réalisation, le transport et l’installation sur site des détecteurs et appareillage de physique.

Les études de ces détecteurs sont réalisées par le groupe « Étude et projet » qui dispose d’outils modernes de conception CAO. La fabrication des pièces se fait à L’Atelier ou en sous-traitance suivant le nombre de pièces à réaliser. Le montage et l’installation sur site est réalisé par les membres du service. Le service général assure quant à lui le transport si cela est nécessaire.

Savoir-faire

-* Conception et réalisation de prototypes -* Calculs par éléments finis -* Usinage sur machines traditionnelles et à commande numérique -* Soudage -* Expertise et réalisation de pièces en matériaux composites

Projets actuels ou récents

CTA

Suite logique de HESS, [CTA->78] (Cherenkov Telescope Array) est le projet européen d’un grand reseau de plusieurs dizaines de télescopes, répartis en trois types de taille différente. Les SST, MST et les LST constitueront ce réseau. Depuis 2009 le service de mécanique participe activement à ce projet. Aussi bien en matière de R&D (en partenariat avec des sociétés du domaine privé) comme avec les tests thermiques ou encore le développement des collecteurs de lumière que dans la réalisation du prototype de taille réelle Gate. Dans le projet Gate le service de mécanique a pris en charge la réalisation de la camera. Ce qui comprend l’étude de la structure, la gestion des fabrications en sous-traitance, l’assemblage des divers éléments à l’atelier ainsi que le transport pour Berlin. Ce prototype de camera est installé dans les bras du télescope depuis le 14 juin 2013. JPEG JPEG JPEG

HARPO

Le projet [HARPO->rub89] (Hermetic ARgon Polarimeter) est une experience d’astronomie gamma et polarimetrie gamma qui étudie un concept de détecteur fin allant du MeV au TeV avec une résolution angulaire meilleure d’un ordre de grandeur par rapport à Fermi, une surface effective par unité de masse augmentée, et une sensibilité à la polarisation. Le détecteur est construit autour d’une chambre à projection temporelle (TPC) à haute pression et une amplification de type Micromegas. JPEG JPEG JPEG JPEG
Dans cette experience le service de mécanique a largement contribué à la réalisation d’un démonstrateur TPC constitué d’une enceinte à vide à l’intérieur de laquelle se trouve une JPEG cage de dérive, 6 plans de scintillateurs qui forment le trigger et un plan de détection (JPEGGEM et/ou JPEGmicromégas). Le service de mécanique a réalisé les études de l’enceinte à vide et de la cage de dérive, le suivi de fabrication en sous-traitance de l’enceinte à vide ainsi que la fabrication et le montage de la cage de dérive en interne. Le plan de détection a été réalisé en partenariat avec le service électronique du LLR, l’atelier central du cern et le labo RD51. Ce démonstrateur a été testé en rayons cosmiques en avril-mai 2012 et la prise de données en faisceau de photons polarisés est prévue pour 2014 au Japon.

HESS – HESS 2

L’expérience d’astrophysique [HESS->rub79] implantée dans la région du Gamsberg en Namibie, est une collaboration scientifique internationale de vingt laboratoires européens et africains, dont six laboratoires français parmi lesquels se trouve le LLR. Cette expérience comporte deux phases, HESS1 et HESS2 La première phase appelée HESS1 se compose d’un réseau de 4 télescopes d’astronomie Gamma. Chaque télescope est composé d’un miroir de 110 m² (réalisé avec 380 miroirs de 60 cm de diamètre, montés sur une structure Davies-Cotton), et d’une caméra de 960 Photomultiplicateurs (ou PM) et son électronique de traitement placée en son foyer. La distance focale est de 15 m. Le champ de vue de la caméra est de 5 degrés. La seconde phase HESS2 est la construction d’un très grand télescope (diamètre 28 m) situé au centre des 4 précédents. Il est constitué d’un miroir de 614 m² (réalisé avec 875 miroirs hexagonaux de 90 cm sur plat) et d’une caméra de 2048 PM. La distance focale est de 36 m et le champ de vue de la camera est de 3.5°. HESS 2 {JPEG} Dans cette expérience, le service de mécanique a eu la responsabilité de réaliser les cinq caméras de ces télescopes. Cela comprenait l’étude des structures, l’intégration des divers éléments étudiés par les laboratoires de la collaboration, la gestion des fabrications en interne ou en sous-traitance, l’assemblage, le montage et la mise en fonctionnement dans le berceau des télescopes. La phase HESS1 s’est déroulée de 1998 à 2004 et la camera de HESS2 a été installée en juin 2012. En 2013, la même collaboration scientifique a décidé de mettre à jour techniquement les 4 caméras de la phase 1. Pour cela il a été nécessaire de réaliser une structure mécanique [CopyCam->1774] (corps de caméra) identique à celles qui sont sur le site. Cette structure a été livrée à DESY (Berlin) pour y intégrer une électronique de dernière génération en mars 2014.

ILC CALICE

[L’ILC->rub50] (International Linear Collider) est un projet de collisionneur d’électrons et de positrons à une énergie totale comprise entre 90 GeV et 1 TeV Dans la configuration actuelle, l’ILC comprend deux bras l’un pour accélérer les paquets d’électrons, l’autre pour les paquets de positrons. Chaque paquet contient environ 20 milliards de particules, avec une taille verticale de quelques nanomètres . Les paquets accélérés se rencontrent au centre du complexe, où les collisions se produisent 14 000 fois par seconde.. Au sein de la collaboration internationale [CALICE->1598], le service mécanique participe à l’étude du calorimètre électromagnétique ECAL L’intégralité de l’étude et de la construction mécanique d’un prototype physique tungstène/silicium à été pris en charge. Ce travail inclut la réalisation de l’ensemble des structures composites avec le développement des moules associés et le collage des wafers de silicium sur leur circuit électronique. Ce prototype à été finalisé fin 2011 début 2012. JPEG Setup de test {JPEG} JPEG
Un setup de test ainsi que ces 10 slabs courts ont également été réalisés en 2012 pour les tests faisceau et cosmiques. Les études, la fabrication des pièces mécaniques des slabs et du support test ont été réalisés au service de mécanique. Les slabs ont été assemblés par le LAL et les wafers collés au LPNHE de Jussieu. JPEG En 2016 et 2017 ce setup de test a été modifié pour les tests en faisceau qui se sont déroulés du 11 au 22 Juin 2016 au CERN et du 12 au 23 Juin 2017 à DESY (Hambourg). Setup de test 10 slab 2017 Actuellement un nouveau banc de test avec 20 slabs et une distance inter slabs modulable est à l’étude et devrait être opérationnel pour les tests au CERN en 2018. Ce nouveau banc de test permettra de doubler le nombre de slabs et de réduire la distance minimum entre les slabs qui passera de 8mm à 2.2mm. La distance entre les wafers passera de 15mm à 9.2mm. Pour valider le concept, un proto de cadre de slab a été réalisé à l’imprimante 3D. Un proto de cadre support tungstène a également été proposé de façon à insérer les plaques de tungstène plus facilement entre les slabs. Proto cadre de slab {JPEG}Proto cadre support tungstene {GIF} L’étude et la fabrication des cadres ont été réalisées au service de mécanique et un cadre équipé de son slab a pu être testé à DESY en juin 2017.

CMS-HGCAL

L’expérience CMS (Compact Muon Solenoid) est l’une des quatre expériences dédiées à la physique fondamentale auprès du collisionneur protons-protons LHC (Large Hadron Collider), dont les premières collisions ont eu lieu en mars 2009 au CERN. Une augmentation de la luminosité et des radiations est prévue pour 2024. Une bonne partie du détecteur sera alors obsolète dont les EndCap (bouchons) du HGCAL. Son remplacement sera alors nécessaire et c’est essentiellement sur cette partie que travaille l’équipe de mécanique. Le service de mécanique a pris en charge la partie ECE (Electromagnetic Calorimeter Endcap). Le tungstènate de plomb des anciens cristaux sera remplacé par un composé silicium/plomb. Un refroidissement sera également nécessaire pour en augmenter la longévité. Ce qui amènera à une espérance de vie d’au moins 10 ans. En 2016, le service de mécanique a utilisé son savoir-faire en réalisation de pièces en matériaux composites, pour proposer et réaliser un proto en structure alvéolaire carbone/tungstène adapté à la géométrie des Endcap. proto composite échelle 1/3

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tests destructifs au LMS

Ce proto à l’échèle 1/3 a entièrement été conçu et réalisé par le service de mécanique. En passant par la caractérisation des matériaux composites avec tests de destruction au LMS
la corrélation des résultats avec le modèle numérique, le dimensionnement mécanique de la structure sur le logiciel de simulation par éléments finis ANSYS, L’usinage en CN des différentes pièces constituants le moule, le drapage des différentes couches en salle blanche, le moulage en autoclave puis l’assemblage. Usinage du moule Le principe de détection à échantillonnage a été retenu par la collaboration mais pas la structure composite autoportante qui sera remplacée par une structure en inox amagnétique. Depuis début 2017 le service de mécanique a en charge le développement de nouveaux protos pour la solution « disck end spacers » retenue.

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