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

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