Etude des effets du cuivrage et de l’irradiation par proton à 440 GeV sur les propriétés mécaniques de fils en nanotubes de carbone pour l’instrumentation des faisceaux de particules au CERN

par Alexandre Mariet

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Michel Devel et de Raymond Veness.

Le président du jury était Nicolas Martin.

Le jury était composé de Jean-Emmanuel Groetz, Federico Roncarolo.

Les rapporteurs étaient Patrick Puzo, Mariusz Sapinski, Thierry Stora.


  • Résumé

    L’utilisation d'instruments interceptifs tels que les wire-scanners pour mesurer les profils transversaux des faisceaux de particules, est aujourd’hui remise en question par l’augmentation de l’énergie et de l’intensité des faisceaux de la chaine d’accélérateurs du CERN (SPS, LHC). L’objectif de ce travail est d’étudier la possibilité de remplacer les fils en fibre de carbone par des fils en nanotubes de carbone (NTC).Une première partie est consacrée à l’étude de l’impact du cuivrage superficiel, utilisé actuellement pour le maintien en position des fils, sur les propriétés mécaniques des fils en NTC, par une campagne de tests de traction combinée à une analyse de Weibull. Une étude des déformations du fil lors d’un scan est menée par l’intermédiaire d’un code numérique Matlab. Une seconde partie est dédiée à l’étude du comportement physique (simulations numériques utilisant FLUKA) et mécanique (tests de traction) de ces fils après irradiation par proton à 440 GeV/c. Pour ceci, une expérience a été conçue, développée et installée sur la ligne expérimentale HiRadMat au CERN.Ce travail montre tout d’abord un impact direct du cuivrage qui diminue les propriétés mécaniques des fils NTC, menant à des spécifications non tenables sur les déformations maximales du fil pour des vitesse de scan de 20 m/s. L’analyse de l’émission des électrons secondaires durant l’irradiation ne montre pas d’impact direct causé par l’accumulation de des faisceaux successifs, mais des déformations locales importantes sont toutefois observées au microscope électronique, peut-être en lien avec des particules de catalyseurs initialement incluses dans les fils. Les résultats des tests de traction montrent une nette dégradation des propriétés mécaniques après l’irradiation.L’ensemble de ce travail montre l’intérêt à trouver des solutions alternatives aux fibres de carbone actuellement utilisées, mais également les limitations atteintes par les produits actuels (fils NTC) qui nécessiteraient encore des améliorations pour répondre positivement aux besoins du CERN.

  • Titre traduit

    Study of the effects of copper-coating and proton irradiation at 440 GeV on the mechanical properties of carbon nanotube wires for particle beam instrumentation at CERN Etude des effets du cuivrage et de l'irradiation par proton à 440 GeV sur les propriétés mécaniques de fils en nanotubes de carbone pour l'instrumentation des faisceaux de particules au CERN


  • Résumé

    The use of wire-scanners, interceptive instruments to measure the transverse profiles of particle beams, is currently challenging due to the increase in the energies and intensity of the beams at the SPS and the LHC, CERN accelerators. The objective of this work is to study the possibility of replacing carbon fiber wires with carbon nanotube (CNT) wires.The first part is the study of the impact of surface copper plating currently used to fit the wire in the holders, on the mechanical properties of CNT wires, by a campaign of tensile tests combined with a Weibull analysis. A study of the deformations of the wire during a scan is carried out using a Matlab numerical code. A second part is the study of the physical (numerical simulations using FLUKA) and mechanical behavior (tensile tests) of these wires after proton irradiation at 440 GeV/c. For this, an experiment has been developed and installed on the HiRadMat experimental line at CERN.This work first shows a direct impact of copper coating which decreases the mechanical properties of CNT wires, leading to untenable specifications on the maximum deformations of the wire for scan speeds of 20 m/s. The analysis of the emission of secondary electrons during irradiation does not show any direct impact caused by the accumulation of successive beams, despite significant local deformation modifications observed under the electron microscope, possibly due to the presence of catalytic iron particles. The results of the tensile tests show a clear degradation of the mechanical properties after irradiation.This work shows the interest in finding alternative solutions to the carbon fibers currently used, but also the limitations reached by current products (CNT wires) which still need improvements to meet aCERN’s requirements.

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