À la fin du deuxième long arrêt (LS2) du complexe d'accélérateurs du CERN, un objet de neuf mètres de long avec plusieurs centaines de tonnes de blindage sera installé autour de la ligne de faisceau du Super Synchrotron à Protons (SPS). Mais cet objet, le plus long composant unique du SPS, n'est pas ordinaire. Il contient le nouveau dump de faisceau du SPS, conçu pour absorber les faisceaux de particules dont le vol à travers le SPS doit être interrompu. Au fond de l'appareil complexe se trouveront les éléments absorbants réels de la décharge, contenant du graphite, molybdène et tungstène. Ce noyau sera gainé de couches de béton, blindage en fonte (peint en vert selon les couleurs du CERN) et marbre. La nouvelle décharge de faisceaux aidera à absorber les faisceaux de particules avec une large gamme d'énergies - de 14 à 450 GeV - et est en cours de construction dans le cadre du projet de mise à niveau des injecteurs du LHC (LIU).

Comme discuté dans un précédent rapport LS2, l'ancien dépôt de faisceau du SPS - situé au point 1 de l'anneau de l'accélérateur - est en train d'être remplacé par un nouveau au point 5, en préparation du LHC à haute luminosité (HL-LHC). Étant donné que l'objet plus ancien serait incapable de supporter les intensités de faisceau plus élevées nécessaires pour le HL-LHC, qui sera mis en ligne en 2026, l'équipe SPS a décidé il y a cinq ans de construire une nouvelle décharge avec les propriétés requises. La re-conception était nécessaire car les intensités plus élevées entraîneront la décharge sous des forces mécaniques beaucoup plus importantes au cours de sa durée de vie, nécessitant un appareil plus robuste qu'auparavant.

"Nous avons envisagé de construire une décharge externe à l'extérieur du tunnel du SPS, similaire à celui du LHC, " explique Etienne Carlier, du département Technologie du CERN. "Mais la grande plage dynamique des faisceaux du SPS rend impossible l'extraction des différents faisceaux avec un seul système. Nous avons donc décidé d'utiliser un dump interne, qui fait partie du SPS lui-même. » La construction de cette décharge de faisceaux est l'une des tâches les plus importantes dans le cadre du projet LIU et environ 125 mètres du tunnel du SPS seront modifiés pour l'accueillir. impliquant l'infrastructure dédiée requise, qui comprend de nouveaux aimants de kick, un système optique pour surveiller la position du faisceau et des systèmes de refroidissement et de ventilation.

Les kickers situés avant la décharge de faisceau d'un accélérateur sont chargés de dévier le faisceau de sa trajectoire habituelle et de le balayer dans le bloc de décharge. A un instant précis, pour ce faire, ils doivent générer des impulsions électromagnétiques appropriées dans les plans vertical et horizontal. Le système de kick vertical génère une impulsion pouvant atteindre 650 MW au cours d'une révolution SPS à l'aide du réseau de formation d'impulsions le plus puissant construit au CERN. Il utilise deux commutateurs à semi-conducteurs redondants de 36 kV nouvellement développés, qui fonctionnera en parallèle pour la protection de la machine, pour transférer l'énergie stockée à l'aimant. "Le kicker dévie et dilue le faisceau de manière à ce qu'il puisse être absorbé sur toute la longueur de la carotte de décharge, " note Carlier. " Et parce qu'il doit toujours dévier le faisceau sous le même angle indépendamment de l'énergie du faisceau, l'accumulation de charge dans la batterie de condensateurs est proportionnelle à l'énergie des faisceaux en circulation."

Les opérateurs SPS doivent savoir si les faisceaux sont correctement déversés ou non, en observant leur forme et leur répartition lorsqu'ils pénètrent dans le volume de décharge. "Nous avons besoin de ces informations pour savoir que la décharge a un profil thermique uniforme lorsque les poutres y pénètrent, " précise Carlier. Le profil du faisceau sera enregistré au moyen d'un écran qui sera installé sur le trajet des faisceaux en cours de déversement, dans le cadre du système "Beam Instrumentation TV". Ce système complexe est constitué d'une ligne optique de 17 m de long avec cinq miroirs de haute qualité qui transfèrent l'image du faisceau de l'écran à une caméra bien protégée située à l'extérieur de la décharge de faisceau, que les opérateurs peuvent surveiller à distance en temps réel.

La décharge de faisceau aura un secteur de vide dédié entourant l'ensemble de la structure. Le noyau lui-même est entouré d'un blindage en cuivre et sera refroidi à l'eau, tandis que la ventilation de l'air aidera non seulement au refroidissement, mais garantira également qu'aucun air n'est activé par le rayonnement du noyau. Après LS2, la décharge sera cuite dans le tunnel avant que le SPS ne reçoive le faisceau, chauffer le graphite constituant la carotte de décharge à 200 °C. Puis, pendant le fonctionnement de la machine, le bloc de décharge sera chauffé à des températures plus élevées par les poutres d'impact et la pression à l'intérieur de la décharge augmentera temporairement jusqu'à ce que les blocs soient conditionnés.

Les préparatifs pour abriter la gigantesque structure sont en cours dans les cavernes et tunnels souterrains où se trouve le SPS, et la décharge elle-même prend forme à la surface. La culée sur laquelle reposera la benne basculante est en cours d'assemblage dans la caverne connue sous le nom d'ECX5, où fonctionnait autrefois le détecteur UA1. Cette culée doit être en béton spécial, contenant des niveaux extrêmement bas de cobalt et d'europium. Ces éléments sont facilement activés par rayonnement et resteraient donc chauds longtemps. Les éviter a un coût élevé mais garantit que la culée n'absorbe pas trop de rayonnement au cours de la durée de vie de la décharge. La base de la culée sera fixée au sol, tandis que la couche juste en dessous de la décharge sera composée de blocs de béton mobiles.

Les travaux de génie civil devraient durer jusqu'à la fin de cette année, après quoi la benne basculante commencera à être assemblée dans sa demeure désignée. Au cours des mois restants de LS2, la décharge de faisceaux et ses services seront préparés pour les faisceaux qui arriveront en 2021, alors que le LHC entame sa troisième exploitation.