Soutenance de thèse

(1)

Etude des vibrations et de la stabilisation à l’échelle sous-nanométrique des doublets finaux d’un

collisionneur linéaire

Benoit BOLZON (2005/2007)

Soutenance de thèse

P. BAMBADE (LAL): Rapporteur Y. KARYOTAKIS (LAPP): Directeur de thèse O. NAPOLY (Saclay): Rapporteur J. LOTTIN (SYMME): Co-directeur de thèse A. JEREMIE (LAPP) F. ZIMMERMANN (CERN)

S. REDAELLI (CERN) R. AMIRIKAS (DESY)

12 novembre 2007

(2)

PLAN

 Introduction

 Collisionneur linéaire à haute énergie

 Contexte

 Capteurs de vibration et instrumentation

 Etude de vibrations d’une structure encastrée-libre

 Application au rejet actif

 Stabilisation des supports d’une structure mécanique

 Stabilisation d’une structure mécanique à ses résonances

 Application à ATF2

 Conclusion et perspectives

(3)

Pourquoi un collisionneur linéaire ?

 Demande nouvelle: collisionneur e⁺ e^- à haute énergie (~1 TeV)

Déviation du faisceau par champ magnétique:

Perte d’énergie par rayonnement synchrotron

2 4 8

e 4

r c m α E dt dW

 Collisionneurs circulaires

Perte d’énergie élevée car m_e faible: E <<1TeV pour r raisonnable

LEP CERN

Deux projets internationaux de collisionneurs linéaires:

ILC International Linear Collider

CLIC Compact LInear Collider

(4)

?

e^-

Champs électriques (accélération)

Champs magnétiques (focalisation)

e⁺

Point d’interaction

 Energie de centre de masse élevée au point d’interaction ~ 1TeV

 Luminosité extrêmement élevée: 10³⁵cm^-2s^-1

 Luminosité L =

y x σ σ

A Paramètres de la machine

Dimensions verticales et horizontales du faisceau

 Faisceaux de dimensions nanométriques dans l’axe vertical

Luminosité et dimensions des faisceaux Collisionneur linéaire à haute énergie

x y

z

(5)

Doublets finaux (DF) au point d’interaction:

configuration encastrée-libre

2m50

 Un des rôles des doublets finaux: Concentrer les faisceaux à des dimensions nanométriques

Contrôle de la position du faisceau à l’aide d’aimants

déflecteurs

 Tolérances de positionnement relatif entre les deux faisceaux

pour garantir la collision sans perdre en luminosité: 1/3 nm (CLIC) Mais pour CLIC:

efficace que pour des vibrations <4Hz

Détecteur

(6)

Mouvement du sol

e- e+

e-

Perturbations acoustiques

Doublets finaux

Les différentes sources de vibration

 Mouvement du sol: de quelques nm à une centaine de nm (f>4Hz)

 Impact fort sur les vibrations d’une structure à l’échelle nanométrique

 Autre source de vibrations moins étudiée: le bruit acoustique

 Impact fort sur une structure encastrée-libre

Nécessité d’amortir mécaniquement le mouvement des doublets finaux à 1/3nm

pour des fréquences>4Hz

Collisionneur linéaire à haute énergie

(7)

 Un partenariat entre:

 le LAPP (instrumentation, étude vibratoire expérimentale et simulation mécanique)

 le laboratoire SYMME de Polytech’ Savoie (automatique)

sur les VIbrations et la STAbilisation)

 Engagée depuis 2004 sur la stabilisation des derniers aimants de focalisation d’un collisionneur linéaire

 Reprise du travail réalisé par l’équipe CLIC de 2001 à 2003

(8)

Contexte

 Etudes réalisées sur des structures encastrées-libres et élancées

 Stabilisation du support (système commercial)

 Stabilisation d’une structure à ses résonances (développement de LAVISTA)

 Depuis 2006: Engagée sur la stabilisation pour ATF2

 Partenariat avec les laboratoires KEK, LAL et LLR

 Instrumentation pour la mesure de vibrations nanométriques et étude de structures (expérience et simulation)

Activités de l’équipe LAVISTA

(9)

 Contexte

(10)

Problématique: Mesure de vibrations nanométriques < 300Hz (fréquences où le mouvement du sol est important)

Capteurs de vibration et instrumentation

Evaluation de capteurs de vibration sismiques existant sur le marché et susceptibles d’avoir la résolution requise

Mise en place d’une chaîne d’instrumentation Capteurs de vibration

Système d’acquisition Traitement des résultats

Conditionnement du signal

Estimation de la précision des mesures

Signal temporel

Filtres, amplificateurs…

Analogique  Numérique

Analyse fréquentielle sous Matlab, Labview

(11)

Capteurs de vibration acquis par l’équipe LAVISTA

< 100Hz > 100Hz

Mesure du mouvement du sol

Analyse modale Peuvent être posés sur une petite

structure

(12)

Capteurs de vibration et instrumentation

Conditionnement du signal et système d’acquisition

Capteurs de vibration

Système d’acquisition

AnalogiqueNumérique (16 bits) Conditionnement du signal

Problématique: minimiser le bruit entre les capteurs et le système d’acquisition pour ne pas limiter la résolution

Tensions minimales de l’ordre du μV

Mesure des vibrations du sol

Filtre passe-haut (1Hz), amplificateur Tensions minimales de l’ordre du mV

Bruit du CAN de l’ordre du μV

 Branchement différentiel Bruit environnemental

Bon rapport signal sur bruit CAN: 1000

Traitement des résultats

(13)

 Système d’acquisition choisi pour l’analyse des données: PULSE

 Filtre passe-haut et amplification du signal jusqu’à un facteur 1700

 Filtre anti-repliement à fréquence de coupure variable

 Autorise des mesures dans diverses gammes de fréquence

Conditionnement du signal et système d’acquisition

 Système d’acquisition choisi pour le rejet actif: DAQ NI PCI-6052

 Driver Matlab/ Simulink, CNA pour la commande de l’actionneur

 Amplificateurs intégrés jusqu’à un facteur 200

 Mise en place d’un filtre anti-repliement (f_c=200Hz)

Achat d’un filtre passe-haut différentiel du 6^e ordre avec f_c=1Hz et bruit interne très faible (<100nV/ )^Hz

(14)

Problématique: Mouvement du sol composé de bruit aléatoire

Traitement des résultats

Optimisation des paramètres temporels pour traiter ce bruit

Capteurs de vibration et instrumentation

Passage dans le domaine fréquentiel

Intégration dans une gamme de fréquence

Puissance moyenne du bruit à une fréquence:

Calcul de la Densité Spectrale de Puissance (DSP)

Niveau de bruit moyen dans une gamme de fréquence:

Calcul du Root Mean Square (RMS) intégré

4Hz 50nm

(15)

Estimation de la précision des mesures

Problématique: mouvement du sol à l’échelle nanométrique

Résolution de la chaîne de mesures limitée par son bruit interne (bruit des capteurs et du système

d’acquisition) Estimation de la précision des

mesures du mouvement du sol

Mesure du bruit de la chaîne de mesures

Calcul de cohérence Calcul de Différence Corrigée

(16)

Mesure de la cohérence

Capteurs de vibration et instrumentation

 Cohérence entre les signaux de deux capteurs à une fréquence f C(f)=

 Deux capteurs du même modèle posés côte-à-côte sur le sol

 C(f) proche de 1: mesures précises du mouvement du sol

 C(f) proche de 0: mesures dominées par le bruit

 Mouvement du sol cohérent pour 2 points proches

 Bruit de la chaîne de mesures: incohérent (mesuré)

Comprise entre 0 et 1 Pas cohérent: 0 et cohérent: 1

(17)

) f ( DSP )

f ( DSP (f))

C - 2(1

= ) f (

DSP

_c ₁ ₂

Mesure de la Différence Corrigée

Bruit de la chaîne de mesures pour une fréquence donnée = Bruit des capteurs + bruit du système d’acquisition

RMS intégré du bruit des capteurs:

bruit dans une gamme de fréquence

Mesures avec des bouchons de 50 ohms sur ses entrées

DSP du bruit des capteurs

Bruit du système d’acquisition

+ -

DSP

Intégration dans une gamme de fréquence

(18)

 Nécessité de bruit cohérent faible

 Mouvement du sol le plus faible possible:

Mesures faites la nuit (bruit culturel divisé par 10)

Capteurs de vibration et instrumentation

Conditions expérimentales de la mesure de la Différence Corrigée

 Pas de bruit dans les mesures basse fréquence

 Pas de variation rapide de température et de pression:

Ventilation coupée / Porte fermée: 10 heures avant les mesures

 Besoin d’un système d’acquisition à très faible bruit

 Système PULSE (rapport signal sur bruit CAN élevé: 10000)

(19)

accéléromètres (ENDEVCO 86) pour la mesure du mouvement du sol entre 0,1Hz et 100Hz

Vitesse du sol élevée

 Accélération du sol faible

 Dans les basses fréquences (<5Hz):

Capteurs de vitesse:

mesure du mouvement du sol < qq

Hz possible

Accéléromètres:

mesure du mouvement du sol > qq Hz

Vitesse et accélération du sol

5Hz

Cohérence entre les capteurs

5Hz

(20)

Capteurs de vibration et instrumentation

Evaluation de l’accéléromètre 393B12 pour la mesure du mouvement du sol dans les hautes fréquences (>300Hz)

 Dans les hautes fréquences (f>300Hz):

 Accélération du sol élevée

 Bruit des capteurs faible

Mesure précise du mouvement du sol HF avec les accéléromètres

Accélération du sol Cohérence entre les capteurs

(21)

 Bruit interne des capteurs SP500 intégré de 4Hz à 75Hz: 0,06nm Capteurs répondant aux critères pour le rejet actif des vibrations

au 1/3 nm pour f>4Hz (projet CLIC)

 Bruit de la chaîne de mesures

 Bruit interne des SP500 ~ identique

 Bruit du système PULSE très faible par rapport au bruit des capteurs SP500

Conditionnement du signal efficace

Mesure des bruits : capteurs non-magnétiques SP500

et système d’acquisition PULSE

(22)

 Capteurs SP500: petite taille et bonne résolution (0,06nm pour f>4Hz)

 Evaluation des performances pour f>4Hz (référence CLIC)

Très bonne cohérence:

Mesure précise du mouvement du sol

Capteurs de vibration et instrumentation

Bruit intégré de la chaîne de mesures entre 4Hz et 75Hz: 0,14nm

Bruit PCI6025E =

= 0,13nm

Conditionnement du signal efficace

Evaluation du système PCI6052E en vue du rejet actif

Adaptée au rejet actif < 1/3nm au-dessus de 4Hz

Bruit de la chaîne de mesures

0,06nm -

nm 14 , 0

Cohérence

(23)

 Contexte

(24)

Etude de vibrations d’une structure encastrée-libre

 Mouvement du sol: décroît avec la fréquence

Equipe de DESY Vagues sur les

côtes

Bruit culturel Effet de la terre

Etudes concentrées jusqu’à présent sur les mouvements les plus forts

(en-dessous de 300Hz)

 Etude des vibrations d’une poutre pour f>300Hz

 Amplification aux résonances

 Impact du bruit acoustique

(25)

4189

Accéléromètre 393B12

RMS in

tégré

50nm

1,8nm

0,18nm

 Encastrée-libre (comme doublets finaux)

 Structure simple pour l’étude

Etude faite sur la largeur de bande 19pm

[800; 1000] Hz de la résonance (881Hz) car mouvement du sol très faible: 3,26pm

(Bruit intégré mesuré: 0,69pm)

3,26pm

(26)

Simulation à l’aide d’un haut-parleur d’une pompe induisant un mouvement du sol et un bruit acoustique plus fort

Haut-parleur Mousse

Elastomère

Amortissement passif:

Isolation du haut- parleur du sol pour ne pas trop l’exciter

mécaniquement

Microphones

(pression acoustique) Accéléromètres

(vibrations)

Elastique Haut-parleur: bruit sinusoïdal à 881Hz de différents niveaux (vibrations de la membrane faisant vibrer mécaniquement le sol)

Etude de vibrations d’une structure encastrée-libre

(27)

 Déplacements de la poutre: facteur 24 d’amplification

 Facteur 3 dû aux déplacements de l’encastrement  Facteur 8 dû au bruit acoustique

Conclusion: Impact du bruit acoustique fort jusqu’à au moins 1000Hz

 Déplacement intégré VS Pression acoustique intégré [800; 1000]Hz

 Encastrement: 3,1pm à 10pm

 Facteur 3 d’amplification

 Poutre: 15,4pm à 0,37nm

 Dépasse les tolérances (1/3nm)

 Facteur 24 d’amplification

Bruit acoustique: 49dB à 76dB

(28)

 Contexte

 Etude de vibrations de structures encastrée-libre

(29)

Mouvement du sol: spectre continu et infini

Impact du mouvement du sol sur les vibrations de structures

 Mouvement amplifié + déformation

Excitation aux fréquences de résonance

 Mouvement du sol < tolérances

 Mouvement des structures > tolérances

 Rejet actif directement sur la structure

Excitation hors fréquences de résonance

 Mouvement global

Mouvement amorti passivement

 Amortissement du support à réaliser dans certaines gammes

Même mouvement

(30)

Application au rejet actif de vibrations

 Stabilisation des supports d’une structure mécanique

 Utilisation d’un système commercial étudié par l’équipe CERN:

STACIS 2000

 Utilisation des capteurs pouvant mesurer des vibrations à l’échelle sous-nanométrique entre 0,1Hz et 100Hz (pour f>4Hz):

 Stabilisation d’une structure mécanique à ses résonances

 Développement d’un algorithme de contrôle (L. Brunetti)

 Utilisation de la chaîne de mesures (capteurs SP500 et système d’acquisition PCI6052E) dédiée à l’étude du rejet actif

(31)

Isolateur:

 Elastomère: Amortissement passif  1 géophone / 1 actionneur vertical

 2 géophones / 2 actionneurs horizontaux Table en nids

d’abeilles Contrôleur : commande les actionneurs à partir des données des géophones

Isolateur

Rejet actif

Stabilisation du support: système commercial STACIS

 But: Faisabilité de stabilisation de supports au 1/3nm pour f>4Hz

(32)

Capteurs de vitesse GURALP CMG-40T

 Mesures entre 0,2Hz et 50Hz

 Mesure du mouvement du sol et de la table de 0,1Hz à 100Hz

Accéléromètres ENDEVCO86

 Mesures entre 50Hz et 100Hz

Bruit intégré mesuré [4; 100] Hz:

0,06nm

 Déplacements intégrés [4; 100] Hz:

 Sol: 2,8nm

 Table: 0,18nm

Facteur 16

d’amortissement

Stabilisation du support: système commercial STACIS Application au rejet actif de vibrations

2,8nm 0,18nm

 Faisabilité de stabilisation du support au 1/3nm (f>4Hz) prouvée

(33)

Stabilisation d’une poutre à ses résonances

Capteurs SP500 Structure à

stabiliser Algorithme

de contrôle Sources de

vibration

Réponse dynamique

Actionneurs

CAN PULSE

CAN PCI6052E

CNA PCI6052E

Traitement des données

Bruit intégré entre 4Hz et 75Hz: 0,15nm

Bruit intégré entre 4Hz et 75Hz: 0,06nm

 Mesures plus précises

(34)

Stabilisation d’une poutre à ses résonances

 Rejet actif: les deux premières résonances (mode de flexion)

Application au rejet actif de vibrations

 Système STACIS en parallèle avec l’algorithme de rejet actif

Résolution: 0,28nm

 Mouvement du sol comme seule excitation

(35)

Deux premières résonances entièrement rejetées

Instrumentation et algorithme de contrôle efficace pour un rejet actif des vibrations de larges pics au 1/10nm au-dessus de 4Hz

 Déplacement de la poutre [4; 80] Hz:

 STACIS: 7,8nm  0,25nm

 Rejet actif : 0,25nm  0,13nm

 Facteur 60 d’amortissement au total

Bruit intégré mesuré [4; 100] Hz:

0,06nm

7,8nm 0,25nm 0,13nm

(36)

 Contexte

 Etude de vibrations de structures encastrée-libre

(37)

Shintake Monitor:

instrumentation du faisceau

Derniers aimants de focalisation

(38)

Sol Shintake monitor

Derniers aimants de focalisation

Faisceau Interference

fringes Aimants situés en amont

Mouvement relatif entre l’interféromètre et les derniers aimants focalisants

Bonne cohérence du mouvement du sol: 4m

mesurée sur site

 Premier objectif: obtenir un faisceau de 37nm dans l’axe vertical

 Shintake monitor: mesure de la taille du faisceau (interféromètre)

 Mouvement relatif entre Shintake monitor et derniers aimants:

6nm dans l’axe vertical au-dessus de 0,1Hz (gamme de fréquence plus basse et tolérances moins sévères que CLIC)

Supports rigides séparés

Application au projet ATF2 (Accelerator Test Facility 2)

(39)

 Nouvelles problématiques

 Etude de la cohérence entre le sol et une structure mécanique pour mesurer des éventuelles non-linéarités de transmission des vibrations

Prédiction du mouvement relatif d’une structure mécanique par rapport au sol sur n’importe quel site

 Utilisation des compétences du LAPP en simulation mécanique:

 Etude des fréquences de résonance de la table pour différentes conditions aux limites

 Expérience acquise au niveau des capteurs pour une étude vibratoire de la table entre 0,1Hz et 100Hz

 Influence du bruit des capteurs sur la cohérence

(40)

Capteurs de vitesse GURALP

(0.033Hz-40Hz)

Microphones

Capteurs posés au centre de la table (déplacements les plus forts à la première fréquence de résonance)

Accéléromètres ENDEVCO 86

(40Hz to 100Hz)

Table sans masses Table avec des masses

simulant le poids des DF

 Premier test: Mesures de vibrations faites avec la table posée sur 4 supports rigides en acier (facile et rapide)

Application au projet ATF2 (Accelerator Test Facility 2)

 Etude faite sur la table STACIS pour sa rigidité (sans utiliser les pieds actifs)

(41)

 Cohérence entre la table et le sol:

linéarité de transmission des vibrations

 Chute de cohérence certainement due à une non-linéarité dans la transmission des vibrations entre le sol et la table

 Rapport signal sur bruit

 Au-dessus de 20Hz: bon rapport signal sur bruit

Bruit interne des géophones

 Basculement de la table sur ses supports (supports non fixés)

(42)

 Autres pics (phase ≠ 90°): Ne sont pas des résonances

 Amplification des vibrations due aux supports non fixés:

supports à fixer dans le futur

Application au projet ATF2 (Accelerator Test Facility 2) Fonctions de transfert de la table

1^er fréquence de résonance (phase: 90°)

Sans masses: 74Hz Avec masses: 46Hz

Déplacements plus élevés car mouvement du sol plus fort

 Impact des différents pics de vibration sur le mouvement relatif

(43)

RMS intégré du mouvement relatif entre la table et le sol à prédire sur le site d’ATF

Calcul réalisé pour ces besoins spécifiques:

Calcul à réaliser en intégrant le comportement vibratoire de la table mesuré au LAPP et les données du mouvement du sol d’ATF



^ ^

 ²

1

k k

x

* x

- y

int (k ) [H(k) 1][H (k) 1]DSP (k) RMS

(44)

 De 0.17Hz à 100Hz: 6.7nm  Au-dessus des tolérances (6nm)!!

 Résultats pouvant être améliorés en fixant les pieds de la table

 Juste dû à la fréquence de résonance (de 30Hz à 100Hz): 4,6nm  Serré

Application au projet ATF2 (Accelerator Test Facility 2)

RMS intégré du mouvement relatif entre la table et le sol d’ATF2

6,7nm 4,6nm

 Déplacer la fréquence propre vers des fréquences plus élevées où le mouvement du sol sera plus faible: simulations

(45)

 Idée de l’évolution des fréquences de résonance avec conditions aux limites et poids: simulation d’un simple bloc

 Mêmes dimensions, calcul de la densité pour obtenir le poids de la table

 Module de Young choisi pour obtenir la première fréquence de résonance de la table en configuration libre à 230Hz

 Fréquence de résonance de la table donnée par son constructeur en configuration libre : 230Hz

1^ère fréquence : sans masse 74 Hz 1^ère fréquence : avec masse 46 Hz

 Mais lorsque la table est posée sur ses 4 supports:

(46)

 Sans masses: 526,1Hz

 Bien plus haut qu’en configuration libre

 Avec masses: 135,2Hz

 Chute / sans masses mais reste suffisamment haute

 Table fixée directement au sol sur toute une face

 Sans masses: 56,2Hz

 Bien plus faible qu’en configuration libre

 Avec masses: 26,2Hz

 Chute / sans masses

 Table posée sur / fixée à 4 supports rigides à ses angles

Application au projet ATF2 (Accelerator Test Facility 2)

(47)

 Simulations réalisées: donne une bonne idée de l’évolution des fréquences de résonance avec poids et conditions aux limites

Comparaison des fréquences de résonance mesurées et simulées

 Donne confiance en la simulation réalisée avec la table fixée directement au sol sur toute une face

(48)

 Changement de conditions aux limites pour que la 1^ère fréquence de résonance soit plus haute: table fixée directement au sol sur toute une face

 Simulation de la 1^ère freq: 135Hz

 Facteur Q devrait être < 9

Mouvement relatif certainement < tolérances

Choix de la collaboration:

La table sera envoyée au Japon et fixée au sol sur toute une face

1400kg sur table

Application au projet ATF2 (Accelerator Test Facility 2) Conclusion

 Table posée sur 4 supports à ses angles avec masses de 1400kg:

 Première fréquence de résonance: 46Hz  Mouvement relatif: 4,6nm

(49)

 Mesures nanométriques des basses aux hautes fréquences (0,1Hz2000Hz)

 Chaîne de mesures compatible avec rejet actif < 1/3nm pour f>4Hz

 Contact avec la société PMD Scientific pour de nouveaux capteurs électrochimiques tendant vers le cahier des charges final

 Etude des vibrations d’une structure encastrée-libre²

 Fort impact du bruit acoustique jusqu’au moins 1000Hz

 Mesures à réaliser par la suite sur des aimants dans un site d’accélérateurs en fonctionnement

(50)

Conclusion générale et perspectives

 Application au rejet actif d’une poutre encastrée-libre au 1/3nm pour f>4Hz

 Faisabilité de la stabilisation des supports prouvée

 Faisabilité de la stabilisation aux résonances prouvée

 Amélioration: système multi-capteurs multi-actionneurs afin de stabiliser la poutre sur toute sa longueur

 Support pour les DF trouvé et conditions aux limites optimisées (Mouvement relatif entre le support et le sol dans les tolérances)

 Support envoyé au Japon pour installation