Success in the pipeline for CMS
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Description
The very heart of any LHC experiment is not a pixel detector, nor a vertex locator but a beam pipe. It is the site of each collision and the boundary where the accelerator and experiment meet. As an element of complex design and manufacture the CMS beam pipe was fifteen years in the making and finally fully installed on Tuesday 10 June.
End cap beam pipe installation in the CMS detector.
Central beam pipe installation.
The compensation modules were the final pieces to take their places in the cavern at Point 5: "These are like bellows," says Wolfram Zeuner, Deputy Technical Co-ordinator for CMS. "They allow us to compensate for the change in length when we heat or cool the beam pipe. And they are the very last elements; beam pipe installation, which began last year, is now complete."
The beam pipe is neither too fragile nor too bulky, but just right to satisfy the conflicting needs of the machine and detector. "For the machine the thicker the better because if it were to break that would halt the entire LHC," explains Patrick Lepeule, the engineer responsible for the pipe's design and installation. "And the beam has such high energy that instability of the vacuum is a real concern." On top of this, a more solid pipe gives better electrical conductivity.
However, the detector has very different priorities: "For CMS the ideal pipe is a transparent wall that particles can pass through without interacting. The experiment wants no material, no support, and virtually nothing at the collision point! We had to work through all these requirements and in the end there was a compromise," says Patrick. Designers of the CMS beam pipe also faced the additional challenge of creating a pipe that would allow for full opening of the detector.
The compromise is a complex beam pipe made of sections of varying thickness and materials. For two metres either side of the interaction point the pipe is incredibly thin yet vacuum-tight, made from 0.8 mm of beryllium, a metal of low atomic number and weighing under 1.5kg. Beyond that for 18 metres on each side and widening towards the ends, are more solid sections of stainless steel, good for welding, assembly and precision alignment.
Happy seeing the designs come to fruition, Patrick praises the installation team: "Nothing would have been possible without the availability and the professionalism of the team."
"We all certainly had a few sleepless nights," adds Wolfram. "But beam pipe building is an art as well as a science, so it was worth it. This is a great achievement for all."
The task of a beam pipe may seem simple but it is in fact a beautifully precise piece of machinery running through the very heart of another.
(A full version of this article is available in the 9 June issue of the 'CMS Times').
Other (French)
Le cœur de toute expérience LHC n'est ni un détecteur à pixels, ni un localisateur de vertex, mais un tube à faisceau. C'est le lieu de chaque collision et la frontière entre l'accélérateur et l'expérience. Le mardi 10 juin, après 15 ans d'une conception et d'une fabrication complexes, le tube à faisceau a été installé dans CMS.
Installation du tube à faisceau au niveau du bouchon du détecteur CMS.
Installation de la partie centrale du tube à faisceau.
Les modules de compensation ont été les dernières pièces assemblées dans la caverne du point 5 (Cessy). «Ils agissent comme des soufflets pour nous permettre de compenser les variations de longueur lorsque nous réchauffons ou refroidissons le tube à faisceau. Ce sont les tous derniers éléments. L'installation du tube à faisceau, commencée l'année dernière, est aujourd'hui terminée», a expliqué Wolfram Zeuner, Coordinateur technique adjoint de CMS.
Le tube à faisceau n'est ni trop fragile, ni trop épais. Il répond parfaitement aux besoins contradictoires de la machine et du détecteur. «Pour la machine, plus c'est épais, mieux c'est, car en cas de fissure, c'est tout le LHC qui serait stoppé», explique Patrick Lepeule, l'ingénieur en charge de la conception et de l'installation du tube. «L'énergie du faisceau est telle que l'instabilité du vide est un vrai problème», poursuit-il. En outre, un tube plus solide permet également une plus grande conductivité électrique.
Le détecteur, lui, a des priorités différentes: «Pour CMS, le système idéal serait une paroi transparente que les particules pourraient traverser sans interaction. Dans l'absolu, il ne doit rien y avoir au point d'interaction, ni matière, ni support! Nous avons dû travailler en gardant toutes ces particularités à l'esprit pour finalement aboutir à un compromis», a déclaré Patrick. Les concepteurs du tube de faisceau de CMS ont également dû relever un défi supplémentaire: créer un tube permettant l'ouverture totale du détecteur.
Le compromis trouvé est un tube complexe, fait de sections à l'épaisseur variable et aux matériaux différents. Le tube est incroyablement fin sur deux mètres de chaque côté du point d'interaction et reste étanche au vide. Épais de 0,8 mm, il pèse moins de 1,5 kg et se compose de béryllium, un métal au numéro atomique peu élevé. Au-delà, on trouve des sections plus solides en acier inoxydable, s'étirant sur 18 mètres et plus larges aux extrémités. L'acier inoxydable peut être soudé et assemblé et il permet également un alignement précis.
Heureux de voir son projet prendre vie, Patrick a fait l'éloge de l'équipe d'installation: «Rien n'aurait été possible sans la disponibilité et le professionnalisme de toute l'équipe».
«On a tous connu quelques nuits blanches, a ajouté Wolfram, mais la construction d'un tube à faisceau est un art autant qu'une science, et cela en valait donc la peine. C'est une réussite commune».
Construire un tube à faisceau peut paraître simple; en fait, il s'agit d'un équipement d'une extraordinaire précision, qui prend place au cœur d'une machine tout aussi extraordinaire.
(Une version complète de cet article est disponible en anglais dans le «CMS Times» du 9 juin).
Additional details
Identifiers
- CDS
- 1110740
- CDS Report Number
- BUL-NA-2008-080
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- Periodical issue: z3d23-nrm15 (CDS)
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