Stabilisation et positionnement actifs précis de modules mécaniques

This thesis takes place in the framework of a general study about the stabilization of the mechanical modules of a future linear collider, CLIC (Compact Linear Collider). In order to guarantee the good operation and the particle collision, the nanometer sized beams need to be stabilized. The proposed approach was developed on two mock-ups: one dedicated to micropositioning with disturbances generation capabilities, and an active isolation system operating heavy load (up to 50kg at 300Hz) at the nanometer scale with an experimentally validated resolution of 0.15 nm. This work studies the electromechanical design and the instrumentation, the implementation of the two set-ups and their modeling,; the control scheme that takes into account the nonlinearities of the actuators. The experimental achievements include the increase of the bandwidth for piezoelectric micro-positioning thanks to an inverse hysteresis operator: the perturbation rejection is efficient until 100 Hz and the tracking control until 190 Hz. A control scheme using seismic sensors is developed to attenuate ground motion and to isolate a platform in a 12 Hz to 100 Hz frequency range. The experimental displacement is reduced from 0.6 nm to 0.25 nm at 50 Hz and from 3.7 to 0.9 at 20 Hz.Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'étude de la stabilisation de modules d'un futur collisionneur linéaire, CLIC (Compact Linear Collider). Afin d'assurer le fonctionnement et la collision des particules dans ce futur grand instrument de physique, il faut garantir l'alignement de modules guidant des faisceaux de dimensions nanométriques. Les travaux développés ont pour support expérimental deux dispositifs : un dispositif de micropositionnement, avec une résolution inférieur au 1µm, où les perturbations peuvent être simulées et un prototype de nanostabilisation active pour charges importantes (>50kg @300Hz), avec une résolution validée expérimentalement inférieur à 0,15 nm, permettant de démontrer la faisabilité du contrôle de la stabilisation subnanométrique en s'intéressant particulièrement au rejet des mouvements du sol. Les problématiques traitées lors de ces travaux portent sur la méthodologie de conception de tels systèmes, ce qui inclue la conception électromécanique et l'instrumentation, ; la mise en œuvre et la modélisation du comportement des prototypes ,; le contrôle avec notamment les aspects de non linéarité des actionneurs. Les performances obtenues de ces différents travaux et validées expérimentalement incluent notamment les points suivants: La bande passante de fonctionnement pour du micro-positionnement à l'aide d'actionneurs piézoélectriques a été augmentée grâce à la compensation d'hystérésis : Rejet de perturbation issue du support jusqu'à 100 Hz et positionnement jusqu'à 190 Hz. Il a été démontré la faisabilité du contrôle à l'aide de capteurs sismiques. L'isolation active réalisée présente une atténuation des nano-mouvement du sol dans une bande passante comprise entre 12 et 100Hz. Expérimentalement, cela conduit à une réduction des mouvements du sol de 0,6nm [rms] à 0,25nm [rms] à 50Hz et de 3,7nm [rms] à 0,9nm [rms] à 20Hz

Stabilisation et positionnement actifs précis de modules mécaniques

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'étude de la stabilisation de modules d'un futur collisionneur linéaire, CLIC (Compact Linear Collider). Afin d'assurer le fonctionnement et la collision des particules dans ce futur grand instrument de physique, il faut garantir l'alignement de modules guidant des faisceaux de dimensions nanométriques. Les travaux développés ont pour support expérimental deux dispositifs : un dispositif de micropositionnement, avec une résolution inférieur au 1 m, où les perturbations peuvent être simulées et un prototype de nanostabilisation active pour charges importantes (>50kg @300Hz), avec une résolution validée expérimentalement inférieur à 0,15 nm, permettant de démontrer la faisabilité du contrôle de la stabilisation subnanométrique en s'intéressant particulièrement au rejet des mouvements du sol. Les problématiques traitées lors de ces travaux portent sur la méthodologie de conception de tels systèmes, ce qui inclue la conception électromécanique et l'instrumentation, ; la mise en œuvre et la modélisation du comportement des prototypes ,; le contrôle avec notamment les aspects de non linéarité des actionneurs. Les performances obtenues de ces différents travaux et validées expérimentalement incluent notamment les points suivants: La bande passante de fonctionnement pour du micro-positionnement à l'aide d'actionneurs piézoélectriques a été augmentée grâce à la compensation d'hystérésis : Rejet de perturbation issue du support jusqu'à 100 Hz et positionnement jusqu'à 190 Hz. Il a été démontré la faisabilité du contrôle à l'aide de capteurs sismiques. L'isolation active réalisée présente une atténuation des nano-mouvement du sol dans une bande passante comprise entre 12 et 100Hz. Expérimentalement, cela conduit à une réduction des mouvements du sol de 0,6nm [rms] à 0,25nm [rms] à 50Hz et de 3,7nm [rms] à 0,9nm [rms] à 20Hz.This thesis takes place in the framework of a general study about the stabilization of the mechanical modules of a future linear collider, CLIC (Compact Linear Collider). In order to guarantee the good operation and the particle collision, the nanometer sized beams need to be stabilized. The proposed approach was developed on two mock-ups: one dedicated to micropositioning with disturbances generation capabilities, and an active isolation system operating heavy load (up to 50kg at 300Hz) at the nanometer scale with an experimentally validated resolution of 0.15 nm. This work studies the electromechanical design and the instrumentation, the implementation of the two set-ups and their modeling,; the control scheme that takes into account the nonlinearities of the actuators. The experimental achievements include the increase of the bandwidth for piezoelectric micro-positioning thanks to an inverse hysteresis operator: the perturbation rejection is efficient until 100 Hz and the tracking control until 190 Hz. A control scheme using seismic sensors is developed to attenuate ground motion and to isolate a platform in a 12 Hz to 100 Hz frequency range. The experimental displacement is reduced from 0.6 nm to 0.25 nm at 50 Hz and from 3.7 to 0.9 at 20 Hz.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

BEAM TRAJECTORY CONTROL OF THE FUTURE COMPACT LINEAR COLLIDER

Nuclear Research) would create high-energy particle collisions between electrons and positrons, and provide a tool for scientists to address many of the most compelling questions about the fundamental nature of matter, energy, space and time. In accelerating structure, it is well-established that vibrations generated by the ground motion constitute the main limiting factors for reaching the luminosity of 10 34 cm-2 s-1. Several methods have been proposed to counteract this phenomena and active vibration controls based on the integration of mechatronic systems into the machine structure is probably one of the most promising. This paper studies the strategy of the vibration suppression. Active vibration control methods, such as optimized parameter of a numerical compensator, adaptive algorithm with real time control are investigated and implemented in the simulation layout. The requirement couldn’t be achieved without the study of activepassive isolation able to damp high frequency ground motion. Thus, a pattern of a potential active/passive isolation has been proposed opening up prospects on the design of a future mechanical isolation.

Beam Trajectory control of the future Compact LInear Collider beam

The future Compact LInear Collider (CLIC) currently under design at CERN (European Organization for Nuclear Research) would create high-energy particle collisions between electrons and positrons, and provide a tool for scientists to address many of the most compelling questions about the fundamental nature of matter, energy, space and time. In accelerating structure, it is well-established that vibrations generated by the ground motion constitute the main limiting factors for reaching the luminosity of 10^34 cm-2s-1. Several methods have been proposed to counteract this phenomena and active vibration controls based on the integration of mechatronic systems into the machine structure is probably one of the most promising. This paper studies the strategy of the vibration suppression. Active vibration control methods, such as optimized parameter of a numerical compensator, adaptive algorithm with real time control are investigated and implemented in the simulation layout. The requirement couldn’t be achieved without the study of activepassive isolation able to damp high frequency ground motion. Thus, a pattern of a potential active/passive isolation has been proposed opening up prospects on the design of a future mechanical isolation