Cool application for Optical Fibres
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In a new first for CERN, optical fibres have been put on test to measure very low temperatures. If these tests prove successful, this new technology could lead to important cost-saving changes in the way the temperatures of superconducting magnets are measured.
There was excitement in the air last March when the team led by Walter Scandale and Luc Thévenaz tested very low temperature measurement using optical fibres.
This spring in CERN's Cryogenics lab an idea was put to the test as a new kind of low-temperature thermometry using optical fibres was tested down to 2 Kelvin (around 300 degrees below room temperature), and the first results are looking good. Optical fibres are well known for their ability to carry large amounts of data around the world, but it is less well known that they can be used for measuring temperatures. The intuition that they might be able to measure very low temperatures - such as those of the LHC magnets - came to the attention of CERN's Walter Scandale at the Optical Fibre Sensors conference, OFS2000, in Venice last October. The original idea quickly became a clear proposal, thanks to the enlightening contribution of Luc Thévenaz, a pioneering expert of optical fibre thermometry from the Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). Following the conference, Scandale teamed up with the EPFL group, led by Thévenaz, and with Sebastien Le Floch from the Institut Supérieure d'Electronique de Bretagne (ISEB) to test the technique at the lowest possible temperatures. The result could be a major innovation in the way low temperatures are measured.
Up to now, low temperatures have been measured using sensors placed at strategic locations of a cryogenic device. Optical fibres could bring two significant improvements over this approach. 'Since the fibre runs the length of the equipment of interest, for instance an LHC dipole string, it can in principle give a measurement of temperature at each point along the total length, by an appropriate treatment of the probe signal injected in the fibre itself,' explains Scandale. The second advantage is cost. A high sensitivity sensor covering a wide range of temperatures costs a few hundred CHF, so equipping a large detector or a large accelerator would be costly. 'It could be very much lower if optical fibres can be used,' says Scandale, 'since one metre of fibre costs just 0.25CHF!'
CERN's Walter Scandale is behind a new technique for measuring very low temperatures using optical fibres...
... an innovation that has been developed in collaboration with Luc Thévenaz of the Ecole Polytechnique Fédérale in Lausanne.
Before starting the tests at CERN, optical fibre thermometry had already been proven over a certain range of temperatures. 'The idea of using optical fibres started at EPFL ten years ago,' says Luc Thévenaz, 'we have measured values from -20 to 100 Celsius,' EPFL's first sponsor was the company Swisscom, which wanted to know the effect of strain on optical fibres. 'Because we need to use CERN experimental apparatus to reach such low temperatures,' adds Thévenaz, 'this is a real collaboration since every team is bringing experience and facilities to reach a common goal'.
The first steps towards achieving that goal were firmly taken as the optical fibres responded well down to 4 K. Subsequent tests extended the range down to 1.8 K, the operating temperature of the LHC.
Other (French)
C'est encore une première à mettre au crédit du CERN : des fibres optiques ont été testées pour la mesure de températures très basses. Si ces essais s'avèrent fructueux, cette nouvelle technologie pourrait apporter d'importants changements dans la manière de mesurer les températures des aimants supraconducteurs, et ainsi permettre des économies.
Effervescence dans le laboratoire de Cryogénie, en mars dernier, alors que l'équipe de Walter Scandale et Luc Thévenaz testent la mesure de très basses températures avec des fibres optiques.
Au printemps dernier, le laboratoire de cryogénie du CERN a mis à l'essai une nouvelle idée : un nouveau type de thermomètre des basses températures utilisant des fibres optiques a été testé jusqu'à 2 kelvins (environ 300 degrés au-dessous de la température ambiante), et les premiers résultats sont encourageants. Les fibres optiques sont réputées pour leur capacité à véhiculer de grandes quantités de données à l'échelle du globe. En revanche, il est moins connu qu'elles peuvent servir à mesurer les températures. C'est lors de la conférence Optical Fibre Sensors (OFS2000), qui s'est tenue à Venise en octobre dernier, que Walter Scandale a eu l'intuition que ces fibres pourraient mesurer de très basses températures, comme celles des aimants du LHC. Très vite, l'idée initiale s'est transformée en proposition précise grâce à l'importante contribution de Luc Thévenaz, pionnier et spécialiste de la thermométrie par fibre optique de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). Après la conférence, Walter Scandale (CERN) s'est associé avec le groupe de l'EPFL, dirigé par Luc Thévenaz, ainsi qu'avec Sébastien Le Floch de l'Institut Supérieur d'Electronique de Bretagne (ISEB) pour tester cette technique aux plus basses températures possibles. Le résultat pourrait être une innovation majeure dans la manière de mesurer les basses températures.
Jusqu'à présent, les basses températures ont été mesurées à l'aide de capteurs placés aux points stratégiques d'un dispositif cryogénique. Les fibres optiques pourraient permettre deux améliorations majeures de cette méthode. « Puisque la fibre s'étend tout le long de l'équipement concerné (par exemple une chaîne dipolaire du LHC), elle peut en principe donner une mesure de la température en chaque point de la longueur totale, grâce à un traitement approprié du signal témoin envoyé dans la fibre elle-même », explique Walter Scandale. Le second avantage est le coût. Un capteur de haute précision couvrant une large gamme de températures coûte quelques centaines de francs suisses, c'est pourquoi il serait onéreux d'en équiper un grand détecteur ou un grand accélérateur. « Le coût pourrait être beaucoup moins élevé si on pouvait utiliser des fibres optiques puisqu'un mètre de fibre ne coûte que 0,25 CHF ! », remarque Walter Scandale.
Walter Scandale, du CERN, est à l'origine d'une nouvelle technique de mesure des très basses températures avec des fibres optiques...
..Cette innovation a été mise au point en collaboration avec Luc Thévenaz de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne.
Avant d'être testée au CERN, la thermométrie par fibre optique avait déjà fait ses preuves dans une certaine gamme de températures. « L'idée d'utiliser des fibres optiques est née à l'EPFL il y a dix ans », précise Luc Thévenaz, « nous avons mesuré des valeurs de -20 à 100 degrés Celsius ». L'entreprise Swisscom, qui voulait connaître l'effet des contraintes sur les fibres optiques, a été le premier sponsor de l'EPFL. « Comme nous devons utiliser l'appareillage expérimental du CERN pour obtenir des températures aussi basses » ajoute Thévenaz, « il s'agit d'une véritable collaboration, car chaque équipe apporte son expérience et ses équipements pour atteindre un objectif commun ».
Les premières étapes menant à cet objectif ont été franchies d'une manière décisive lorsque les fibres optiques ont réagi favorablement jusqu'à 4 K. D'autres tests réalisés le 26 mars ont étendu la gamme de températures jusqu'à 1,8 K, la température d'exploitation du LHC.
Files
na-2001-030_012701.gif
Additional details
Identifiers
- CDS
- 45108
- CDS Report Number
- BUL-NA-2001-030
- Aleph number
- 000006590MMD
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- Other: ADMBUL_0021010 (Other)