Développement de systèmes de gaz pour le fonctionnement des détecteurs gazeux au HL-LHC

Development of gas systems for gaseous detector operation at HL-LHC

• Auteur / Autrice : Mara Corbetta
• Direction : Gérald Grenier, Beatrice Mandelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 30/04/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon
• Jury : Président / Présidente : Imad Laktineh
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gérald Grenier, Beatrice Mandelli, Cecilia Uribe-Estrada, Marco Paganoni, Cristina Cârloganu, Maria Fouz Iglesias, Michael Tytgat
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Cecilia Uribe-Estrada, Marco Paganoni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Centre européen pour la recherche nucléaire

Gaz à effet de serre -- Réduction

Muons

Innovation

Grand collisionneur de hadrons

Mots clés libres

HL-LHC

Triple-GEM

Gas System

Gas Recirculation

Impurities

Gas Recuperation

Résumé

Après les résultats très remarquables obtenus au cours des premières décennies par Large Hadron Collider (LHC) du CERN, le complexe d’accélérateurs fait actuellement l’objet d’importantes mises à niveau et l’augmentation substantielle de la luminosité posera également des défis techniques majeurs pour les Expériences. Un long programme de consolidation et de mise à niveau est en cours de réalisation pendant le Long Shutdown 2, concernant entre autres les systèmes à muon, composés de détecteurs à gaz pour lesquels une composition correcte et stable du mélange gazeux est une condition essentielle pour garantir de performances bonnes et stables à long terme. Les gaz à effet de serre (Greenhouse gases, GHGs) étant largement utilisés comme composants de mélanges gazeux dans les détecteurs à gaz du LHC, leur fonctionnement doit tenir compte des dernières exigences du CERN quant à la réduction des émissions de GHGs et du coût des systèmes à gaz. Ce travail de thèse s’inscrit dans deux axes de recherche portant sur le développement et la mise à jour de techniques pour contribuer aux stratégies du CERN visant à minimiser la consommation de GHGs. Le premier est le fonctionnement des systèmes à gaz avec recirculation de gaz, en particulier pour le cas des détecteurs Triple-GEM, dont les performances ont été validées dans un environnement de rayonnement de type HL-LHC, quant à la stabilité à long terme, l’efficacité de détection des muons et la production d’impuretés de mélanges à base de CF4. Une stratégie possible pour limiter davantage les émissions de GHG est la récupération de composants de gaz précieux après leur utilisation dans les détecteurs, dans le but de les réinjecter dans le système de gaz. Cette thèse se concentre en particulier sur la récupération de deux GHGs utilisés dans les détecteurs gazeux des expériences LHC, le CF4 et le C2H2F4. La conception et l’exploitation des modules de récupération de CF4 sur les systèmes de gaz RICH2 de LHCb et CSC de CMS sont discutées, montrant comment de bons rendements de récupération peuvent être atteints avec une bonne pureté du CF4 récupéré. En outre, le développement d’une module prototype de récupération du C2H2F4 est présenté, dont la caractérisation a prouvé une efficacité de séparation très élevée (80% - 95%) et une très bonne qualité du C2H2F4 récupéré.

After the highly remarkable results achieved in the first decades of operation of the CERN Large Hadron Collider (LHC), the accelerator complex is currently facing major upgrades, and the substantial increase in luminosity will pose major technical challenges also for the Experiments. A long consolidation and upgrade program is being realized during the Long Shutdown 2, concerning among others the Muon systems, composed of gaseous detectors for which a correct and stable gas mixture composition is a key requirement to guarantee good and stable long-term performance. As Greenhouse gases (GHGs) are widely used as gas mixture components in LHC gaseous detectors, their operation shall keep into account the latest CERN requirements in terms of reduction of GHGs emission and gas systems cost. This work delineates the development and upgrades of two different research lines put in place to contribute to the CERN strategies to minimize GHGs consumption. The first is the operation of gas systems with gas recirculation, in particular for the Triple-GEM detectors case, which performance was validated in a HL-LHC-like radiation environment, in terms of long-term stability, Muon detection efficiency and CF4-based impurities production. A possible strategy to further limit GHG emission is the recuperation of valuable gas components after their usage in the detectors, with the aim of re-injecting them in the gas system. This thesis focuses in particular on the recuperation of two GHGs used in LHC Experiments gaseous detectors, CF4 and C2H2F4. The design and operation of CF4 recuperation plants on the LHCb RICH2 and CMS CSC gas systems is discussed, showing how good recuperation efficiencies can be reached with a good purity of the recuperated CF4. Furthermore, the development of a C2H2F4 recuperation prototype plant is presented, which characterization proves a very high separation efficiency (80% - 95%) and an extremely good quality of the recuperated C2H2F4.