Mécanique

Service mécanique
Mechanical team
Cornudet Georges, Gravant Gérard, Nicolas Jean-Pierre, Pariset Pascal
Abstract: To this day, the CSNSM mechanics department is composed of four people who
constitute three different units (the design office, the welding workshop and the mechanical
manufacture workshop).
The design office elaborates the physicists’ needs. The manufacturing workshop makes the
mechanical parts and the assembly. The welding technicians weld vaccum chambers and test that
those vacuum chambers don’t leak.
Présentation
Le service mécanique du laboratoire qui est
actuellement constitué de 4 personnes, est
divisé en 3 structures différentes qui, pour des
raisons d’optimisation et de gestion du temps
de travail, sont regroupé sous la responsabilité d’une seule personne :
Le bureau d’études qui conçoit et met
en plan les différents projets.
L’atelier qui usine, assemble et
participe au montage des différentes
réalisations et qui a également en
charge le maintien en exploitation des
3 accélérateurs.
L’atelier de soudure sollicité pour tous
les travaux de serrurerie mais
également pour les soudures sous vide
ou ultra-vide.
I – Le Bureau d’études
Le bureau d’études du laboratoire, qui s’est
réellement structuré il y a 5 ans, est maintenant tout à fait opérationnel. Il est d’ailleurs
doté de moyens de conception qui sont à la
pointe de la technologie et qui, dans un souci
de communication aisée avec les autres
laboratoires de l’IN2P3 sont tout à fait
homogènes aux acquisitions faites par ceuxci. Ce bureau d’études est effectivement
équipé de 2 « gros » logiciels de Conception
Assisté par Ordinateur (CAO) qui sont
CATIA et EUCLID et de 2 logiciels de calcul
de résistance des matériaux par la méthode
des éléments finis qui sont SAMCEF FIELD
et ACORD. Il est également important de
noter que le matériel servant de support à
l’exploitation de ceux-ci, permet de répondre
efficacement et dans les meilleurs délais aux
sollicitations des différentes équipes du
laboratoire. Les domaines sur lesquels il nous
est demandé de travailler sont divers et nous
pouvons citer comme exemple, la source
d’ions sélective, un barillet 8 positions qui
permet d’implanter sur de grandes surfaces
sans remises à l’air ou encore la collaboration
internationale Mégapie qui est une source de
plomb bismuth liquide qui permettra de
progresser dans l’étude de l’aval du cycle
électronucléaire.
I.a – La source d’ions sélective
Ce projet de source s’inscrit dans un projet
plus vaste de production de faisceaux d’ions
radioactifs à partir de la réaction 238U(γ ,f). Le
principe du système étudié est de sélectionner les différents éléments en utilisant les
écarts existants entre les pressions de vapeur.
Cela consiste à disposer dans un creuset une
cible à partir de laquelle seront créés les
nucléides recherchés. On chauffe celle-ci, de
façon à évaporer les éléments la composant,
que nous venons condenser sur une feuille de
tungstène, appelée transporteur. Puis, en
jouant sur la vitesse de déplacement et la
température de celui-ci, on redépose l’élément
sélectionné dans la chambre d’ionisation à
partir de laquelle est créé le faisceau désiré.
I.b –Le barillet (ARAMIS)
Ce dispositif, qui est utilisé dans la collaboration avec Alcatel, a pour objectif de permettre la réalisation d’implantations sur de
très grandes surfaces (120 mm × 120 mm). Le
but de ce système étant de réaliser plusieurs
implantations successives sans remise à l’air
des échantillons pour permettre de limiter la
pollution de ceux-ci au maximum.
Ce dispositif (figure 1) a donc été réalisé par
un barillet disposant de 8 emplacements, que
l’on vient positionner successivement dans
l’axe du faisceau. L’étanchéité au vide, qui
permet de réaliser la rotation, est obtenue par
un passage ferro-fluidique et le repérage de
l’échantillon implanté est reporté à l’extérieur
de l’enceinte. L’ensemble de ce système est
déconnectable très rapidement, (il est mobile
sur un système de rail de guidage) et recule
« en voie de garage » pour permettre de
réaliser d’autres implantations sur cette même
ligne de faisceau d’Aramis.
Figure 1 : Ensemble barillet pour implantation
Alcatel sur de grandes surfaces
I.c – Mégapie
Cette collaboration internationale, qui est
dirigée par le Laboratoire Paul Scherrer
Institut en Suisse, consiste à développer une
cible de spallation avec un métal liquide de
haute densité. Le choix s’est porté, pour la
réalisation de cette cible, sur l’eutectique
plomb-bismuth. La transmutation des déchets
nucléaire mondiaux, réalisée par cette
technologie, permettra de réduire d’un facteur
100 la radiotoxicité des éléments radioactifs.
L’objectif de cette cible, est de valider le
processus mis en jeu. Le bureau d’études du
CSNSM a donc été impliqué dans la
conception de la tête de la cible, qui devait
inclure toutes les sorties des connectiques
pour permettre de sortir les signaux venant de
la cible, ainsi que le blindage devant protéger
l’environnement de celle-ci.
II – L’atelier
L’atelier du CSNSM est composé de 2 sousstructures. En effet, afin de maintenir une
efficacité et une promptitude à réaliser les
interventions sur les accélérateurs de notre
laboratoire, nous avons un atelier, dans
chaque bâtiment, qui est placé à proximité de
ces machines. Cela nous permet de limiter au
maximum le temps d’arrêt des machines lors
des interventions non programmées et
d’optimiser au mieux les ouvertures des
machines lors des entretiens périodiques.
D’autre part, lors des réalisations des études
qui ont été développées au laboratoire, le
travail est alors réparti sur les 2 ateliers en
fonction de la disponibilité des techniciens et
des capacités machines dont nous disposons.
Au cours de ces dernières années, un effort
particulier a été fait par le laboratoire, pour
rajeunir et améliorer le parc machine de
l’atelier. La taraudeuse achetée en 2000 et la
fontaine de nettoyage ainsi que la table élévatrice d’une capacité de 300 kg en 2001 sont
des exemples significatifs de la volonté qu’a
le CSNSM de maintenir un atelier de proximité apte à répondre au mieux aux demandes
des physiciens.
Le travail des 2 ateliers au cours de ces deux
dernières années a été très important et très
varié. Dans les paragraphes qui suivent nous
allons évoquer quelques réalisations et parler
également du travail de conception que
réalisent les techniciens de l’atelier en étant
en étroite collaboration avec leurs « clients ».
II.a – Tandétron
Le travail effectué sur cette source est un
travail cyclique pour l’atelier du laboratoire.
En effet l’alignement de la source d’ions, du
Tandétron de Gif-sur-Yvette, n’est pas très
stable dans le temps. Le problème est lié à
une conception mécanique ancienne et aléatoire qui est accentué par la taille assez
réduite des éléments à aligner. Le travail
demandé à l’atelier du laboratoire a été de
trouver une solution permettant d’avoir une
certitude et une meilleure précision sur
l’alignement de cette source, par rapport au
ioniseur qui reste implanté à l’intérieur de la
machine. La solution technique développée
par le technicien d’atelier a donné des résultats jamais atteints dans l’alignement de cette
source et une recherche sur un nouveau
matériau pour réaliser la pince de maintien
des navettes de cette source est en cours
d’étude et de développement.
II.b – Ralentisseur cibles Sidonie
Dans le cadre de la jouvence de l’accélérateur
Sidonie, les ateliers ont eu à réaliser une
chambre équipée d’un barillet permettant de
travailler sur 10 échantillons sans remise à
l’air de l’ensemble (figure 2). Parmi les
difficultés rencontrées sur ce genre de
réalisation, il y a celui lié a la haute tension.
En effet, la partie cible de cet ensemble est
porté au potentiel de 50 kV, alors qu’à
quelques centimètres de là, le technicien de la
machine doit intervenir pour manipuler les
commandes de rotation et de positionnement
des cibles. L’atelier a donc eu une astucieuse
idée afin d’éliminer les arêtes vive, qui sont la
cause principale des claquages électriques, en
montant des anneaux toriques sur tous les
contours intérieurs et extérieurs des tôles. La
liaison mécanique est réalisée en jouant sur
les différentes dilatations thermiques des
pièces à assembler. On chauffe la partie
femelle et on refroidit dans un bain d’azote
liquide la pièce mâle afin d’obtenir une
liaison définitive lorsque l’ensemble retourne
à la température ambiante. Un deuxième
problème qui a été résolu par l’atelier, a été de
réaliser un ensemble permettant d’ouvrir et de
manipuler la bride de fermeture contenant le
barillet cible, sans effort trop important pour
l’opérateur. Ce couvercle est donc monté sur
deux rails télescopiques, qui supportent les
axes de rotations de l’ensemble, permettant
ainsi de reculer et basculer le dispositif pour
changer les cibles. La réalisation mécanique
de l’ensemble a donc été effectuée dans nos
ateliers, avec des relations permanentes et
fructueuses entre les techniciens d’atelier et
les ingénieurs responsables de la machine.
Figure 2 : Ensemble ralentisseur cible Sidonie
II.c –Porte-cibles multiple
Dans le cadre du projet « Micrométéorites et
Nucléosynthèse dans le Système Solaire
Primitif » [1], le groupe Mécanique a fourni
son aide à deux réalisations. Pour comprendre
les phénomènes d’irradiation des poussières
interplanétaires dans le système solaire primitif, une expérience de mesure de section
efficace de production du noyau 26Al a été
réalisée en novembre 2000 au Tandem
d’Orsay. Une des contraintes majeure de cette
expérience était de pouvoir utiliser un grand
nombre de cibles pour réaliser des mesures à
différentes énergies de faisceau. Ainsi, le
service Mécanique a conçu puis réalisé un
porte cible multiple comprenant 10 positions
réglables par un moteur électrique commandé
depuis la salle d’acquisition. Un plan complet
3D de la totalité du dispositif expérimental
(chambre à réaction, porte-cibles multiple,
détecteur, cage de Faraday) a été réalisé et
une aide technique fournie pendant toutes les
phases de l’expérience (montage, réalisation,
démontage).
II.d– Betatronc (Solange)
L’adjonction devant le guide d’électrons du
laboratoire [2] d’une lentille magnétique
toroïdale a été réalisée à l’atelier du CSNSM
en deux étapes successives. Elles ont
nécessité chacune une refonte complète de la
partie de l’instrument contenant la cible et la
source d’électrons. Les problèmes techniques
sévères correspondant au fonctionnement
sous vide de 8 puis 10 spires en cuivre
refroidies par contact (figure 3), parcourues
en série par 250 ampères, ont été résolus.
L’ensemble,
opérationnel
pour
un
fonctionnement en ligne par accélérateur,
possède des caractéristiques intéressantes, et
son usage suggère de nouveaux perfectionnements.
Figure 3 : Lentille magnétique toroïdale
III – La soudure
Le laboratoire dispose maintenant d’un atelier
de soudure tout à fait opérationnel. Il est
capable de répondre à la quasi-totalité des
besoins du laboratoire, tant dans le domaine
de l’assemblage, que dans la recherche de
fuite des enceintes à vide réalisées en interne.
Au cours de ces deux dernières années, nous
avons réalisé des investissements matériels
pour équiper cet atelier, afin de répondre plus
efficacement aux demandes des équipes du
laboratoire. En relation étroite avec l’atelier
du CSNSM. deux investissements majeurs ont
été réalisés courant 2001. Il s’agit en effet de
l’achat d’un poste à souder M.I.G. qui permet
l’assemblage rapide et efficace de châssis. Il
est d’ailleurs bon de noter que ce nouvel
appareil permet de réaliser, d’une façon plus
optimisée tous les travaux de serrurerie que
nous avons à effectuer. Le deuxième
investissement est l’acquisition d’une potence
d’une capacité de 500 Kg, qui permet au
technicien de l’atelier de soudure de
manipuler beaucoup plus aisément les
supports qu’il doit souder. Pour illustrer ces
propos nous pouvons détailler deux réalisations effectuées dans notre atelier de soudure.
III.a – Fondoir pour la collecte de
micrométéorites
Dans le cadre du nouveau programme de
collecte de micrométéorites polaires du
groupe d’astrophysique du solide, le technicien de l’atelier de soudure a été mis a
contribution. L’objectif était de réaliser un
fondoir permettant d’extraire les micrométéorites de carottes de glace ou de prélèvements de neige. La réalisation du polissage
des soudures internes, qui ne doivent en aucun cas piéger les poussières recherchées,
ainsi que la mise en forme du circuit de
chauffage, ont donc été réalisées par nos
soins. Ce dispositif, couplé à une chaudière à
gaz, est transportable et permet d’extraire les
micrométéorites au plus près de l’endroit où
elles sont collectées. En collaboration avec
l’équipe de chercheurs, le technicien de
l’atelier a donc participé à l’assemblage et la
validation de cet ensemble. Il a ensuite participé à la première utilisation de ce fondoir
prototype qui a eu lieu en mai 2001 au Niels
Bohr Institut de Copenhague (figure 2). Cette
collaboration avec une équipe danoise a
permis de collecter des micrométéorites dans
des carottes provenant d’un forage profond
(Dye3) réalisé au centre du Groenland.
III.b – Jouvence Sidonie
Toujours dans le cadre de la jouvence du
séparateur d’isotopes Sidonie, l’atelier de
soudure a été sollicité pour la transformation
du caisson de source de cette installation. Les
techniques mises en jeu lors de ces soudures
et surtout les contraintes qui y sont afférentes
sont bien sûr liées au domaine du vide. C’est
pourquoi, l’opérateur doit prendre des
précautions particulières lors de la réalisation
de ces travaux afin de ne polluer qu’au
minimum l’enceinte et les éléments
concernés. En particulier, lorsque l’on remet à
la pression atmosphérique le caisson, on le
remplit d’un gaz neutre qui est l’azote.
Ensuite lors de la soudure, afin de ne pas
oxyder les pièces à assembler, le technicien
doit travailler, sous une atmosphère inerte.
C’est pourquoi, nous utilisons le procédé
T.I.G. qui permet de maintenir le bain de
fusion hors du contact de l’atmosphère.
D’autre part, l’atelier de soudure a été
impliqué dans la modification de différents
châssis, et notamment des supports de pompe,
qui ont dû être modifiés. Nous avons donc
réalisé avec efficacité cette opération grâce à
l’acquisition de ce nouveau poste à souder
employant le procédé du M.I.G.
Conclusion
Cette brève présentation du service mécanique du CSNSM, montre que ce service est
engagé dans une multitude de projets touchant
des domaines de physique très différents.
Cette diversité est, bien sûr, générée par la
pluridisciplinarité des thèmes étudiés au
laboratoire. Elle nécessite de la part du
personnel de cette équipe, une quotidienne
remise en cause de ses connaissances, ce qui
est démontré par les formations que chaque
agent a pu effectuer durant ces deux dernières
années. Il est peut-être également bon de
noter que la moyenne d’âge élevée (57 ans)
du personnel de l’atelier, est un gage de
qualité et de savoir-faire, mais reste très
préoccupante du point de vue du maintien de
cette activité. La demande permanente, liée au
bon fonctionnement des 3 accélérateurs du
laboratoire, et la satisfaction que le service
mécanique donne au CSNSM, justifient
pleinement la pérennité de ce service.
[1] Mesures de sections efficaces de réactions induites
par 3He
[2] Evolution d'un guide magnétique d'électrons de
conversion