Mise en œuvre d'une approche Monte-Carlo et d'une analyse de sensibilité pour l'optimisation du réseau de mesure géodésique du projet SOLEIL II

Implementation of a Monte-Carlo approach and sensitivity analysis to optimise the geodetic network of the SOLEIL II project

• Auteur / Autrice : Youen Delalande
• Direction : Stéphane Durand
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur spécialité Métrologie
• Date : Inscription en doctorat le 01/02/2024
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GeF - Laboratoire Géomatique et Foncier
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Conservatoire national des arts et métiers (France)

Mots clés

Mots clés libres

Optimisation de réseau géodésique

Analyse de sensibilité

Simulation par approche Monte-Carlo

Incertitude de mesure

Alignement de précision d'accélérateurs

Laser de poursuite

Geodetic network optimization

Sensitivity analysis

Monte-Carlo simulation approach

Measurement uncertainty

Accurate accelerator alignment

Laser tracker

Résumé

Situé au cœur du campus universitaire de Paris-Saclay, le synchrotron SOLEIL se prépare à une évolution majeure de sa machine et de ses lignes de lumière. Ce projet, connu sous le nom de SOLEIL II, vise à fournir une source de rayonnement synchrotron de 4ème génération d'ici à la fin de l'année 2030. Avec une émittance de 85 pm.rad, 50 fois plus petite que l'anneau actuel, l'alignement du nouvel anneau de stockage va soulever d'importantes questions techniques et problématiques. En effet, les simulations effectuées par les physiciens ont montré que les poutres de l'anneau de stockage et la plupart des aimants sur ces poutres devront être alignés transversalement avec une tolérance de plus ou moins 50 µm. Pour les composants plus spécifiques tels que les aimants positionnés de part et d'autre d'une section droite, la tolérance d'alignement est réduite à plus ou moins 20 µm. Enfin, la tolérance pour les 354 m de circonférence de la machine devra être de plus ou moins 2 mm. Ces tolérances à ne pas dépasser pour l'alignement représentent donc un défi majeur auquel la thèse va essayer de répondre. L'alignement de SOLEIL II sera principalement effectué à l'aide de laser de poursuite dont l'incertitude instrumentale élargie à k=2 affichée par le fabricant est de 15 µm + 6 µm/m. Cela implique donc que les tolérances de plus ou moins 50 µm ne pourront être respectées que dans certaines conditions très spécifiques. Cependant, pour les tolérances de plus ou moins 20 µm définies sur les composants les plus sensibles, les limites communément admises pour l'instrument devront être repoussées et le processus de mesure optimisé. Afin d'aligner les différents composants de la future machine les uns par rapport aux autres, il faut au préalable déterminer la position de tous ces éléments avec exactitude. Pour cela, un survey de la machine est obligatoire. Les erreurs d'alignement vont dépendre en grande partie des erreurs de mesures faites lors du survey de la machine. Il est donc important d'identifier et de quantifier les nombreux paramètres qui exerceront une influence sur l'incertitude finale du survey. Ces paramètres peuvent être liés aux instruments utilisés, à l'environnement dans lequel ils sont utilisés, à la stabilité dimensionnelle et géométrique de la machine, ou encore à la méthodologie utilisée. Ainsi, pour ne pas dépasser les tolérances pour l'alignement de la future machine, il faut prendre en compte et évaluer l'influence de tous les paramètres qui vont agir sur l'incertitude finale du survey. L'objectif est de faire un bilan d'incertitudes métrologique, d'identifier toutes les sources d'erreurs et de quantifier leur contribution. Tous les paramètres exerçant une forte influence sur un survey doivent être parfaitement identifiés et contrôlés pour maintenir un faible niveau d'incertitude de mesure. C'est sur ce point spécifique que la thèse est focalisée. L'objectif principal est d'identifier la meilleure stratégie de mesure pour la future machine en optimisant certains paramètres tels que le nombre de laser de poursuite utilisés, le nombre de points fixes sur les murs et leurs positions, le nombre de stations et leurs positions, la plage de mesure, le nombre de répétitions de ces mesures, la durée du processus de mesure, etc. Bien qu'une approche expérimentale soit envisageable pour cette optimisation, elle reste malgré tout difficile à mettre en œuvre, notamment en raison du grand nombre de scénarios à tester directement sur la machine. C'est pour cette raison que l'approche envisagée lors de la thèse consiste à modéliser le processus de mesure, ce qui implique de définir les paramètres d'entrée. Ce modèle sera alimenté par des données expérimentales. Il sera ensuite utilisé pour effectuer des simulations de surveys et ainsi identifier la meilleure stratégie de mesure pour la future machine.

Located in the heart of the Paris-Saclay university campus, the SOLEIL synchrotron is preparing for a major evolution of its machine and its beamlines. This project, known as SOLEIL II, aims to provide a 4th generation synchrotron radiation source by the end of 2030. With an emittance of 85 pm.rad, 50 times smaller than the current ring, the alignment of the new storage ring will raise important technical and problematic questions. Indeed, the simulations carried out by the physicians have shown that the girders of the storage ring and most of the magnets on these girders will have to be aligned transversely with a tolerance of plus or minus 50 μm. For more specific components such as magnets positioned on either side of a straight section, the alignment tolerance is reduced to plus or minus 20 μm. Finally, the tolerance for the 354 m circumference of the machine must be plus or minus 2 mm. These tolerances that must not be exceeded for alignment therefore represent a major challenge to which the thesis will attempt to respond. The alignment of SOLEIL II will be mainly carried out using laser trackers whose expanded measurement uncertainty to k=2 displayed by the manufacturer is 15 μm + 6 μm/m. This means that tolerances of plus or minus 50 μm can only be achieved under certain very specific conditions. However, for tolerances of plus or minus 20 μm defined on the most sensitive components, the commonly accepted limits for the instrument will have to be pushed back and the measurement process optimized. In order to align the individual components of the future machine with respect to each other, the exact position of all these elements must first be determined. To do this, a survey of the machine is mandatory. Alignment errors will depend largely on the measurement errors made during the survey of the machine. It is therefore important to identify and quantify the many parameters that will influence the final uncertainty of the survey. These parameters can be related to the instruments used, the environment where they are used, the dimensional and geometric stability of the machine, or the methodology used. Thus, in order to not exceed the tolerances for the alignment of the future machine, it is necessary to take into account and evaluate the influence of all the parameters that will act on the final uncertainty of the survey. The objective is to make a assess of metrological uncertainties, to identify all sources of error and to quantify their contribution. All parameters that have a strong influence on a survey must be perfectly identified and controlled to maintain a low level of measurement uncertainty. It is on this specific point that the thesis is focused. The main objective is to identify the best measurement strategy for the future machine by optimizing certain parameters such as the number of laser trackers used, the number of fixed points on the walls and their positions, the number of stations and their positions, the measuring range, the number of repetitions of these measurements, the duration of the measurement process, etc. Although an experimental approach is possible for this optimization, it is still difficult to implement, especially because of the large number of scenarios to be tested directly on the machine. It is for this reason that the approach envisaged during the thesis consists in modeling the measurement process, which implies defining the input parameters. This model will be completed with experimental data. It will then be used to carry out survey simulations and thus identify the best measurement strategy for the future machine.