Alexandre MARIET : "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 : 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. 

Composition du jury : 

Michel DEVEL, Professeur, Université Bourgogne Franche-Comté, Directeur de thèse

Patrick PUZO, Professeur, Laboratoire de physique des 2 infinis - Irène Joliot-Curie, Rapporteur

Mariusz SAPINSKI, Senior physicist, Paul Sherrer Institut (PSI), Rapporteur

Thierry STORA, Senior physicist, Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN), Rapporteur

Jean-Emmanuel GROETZ, Maître de conférences, Université Bourgogne Franche-Comté, Examinateur

Raymond VENESS, Senior engineer, Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN), CoDirecteur de thèse

Nicolas MARTIN, Professeur, Université Bourgogne Franche-Comté, Examinateur

Federico RONCAROLO, Senior physicist, Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN), Examinateur

Localisation : Amphithéatre Jean-Jacques Gagnepain