« Des projets comme celui-ci, on en réalise un, voire deux dans une carrière ! », souligne Amaury Laurent, responsable projet systèmes embarqués et R&D chez Nerys. Cette aventure exceptionnelle, à laquelle il est si fier d’avoir participé, c’est le projet Tyrex-2, du nom d’une machine unique au monde, conçue et utilisée à l’Institut Laue-Langevin (ILL) basé à Grenoble. Tyrex-2 permet de produire de l’hélium 3 polarisé, un gaz qui a pour vocation d’augmenter l’acuité des faisceaux de neutrons utilisés pour étudier les propriétés électromagnétiques de la matière, dans le cadre d’expériences majeures en recherche fondamentale, tout comme en R&D. Le logiciel standard Vasco, développé par Nerys, pour piloter des installations de tests, a été retenu par l’ILL pour piloter Tyrex-2. Un an après la mise en fonction de la machine, le logiciel qui tourne en continu 24 h sur 24, avec près de 2 700 lignes de scénarios, a démontré sa fiabilité et sa capacité à piloter une machine spéciale d’une grande complexité.
L’ILL, une des plus intenses sources de neutrons au monde
Contribuer au projet Tyrex-2, c’est apporter sa modeste pierre à l’édifice de la recherche mondiale que représente l’ILL. Créé en 1967 pour consacrer l’amitié et la coopération franco-allemande, dans le domaine de la recherche, l’ILL fournit aux scientifiques du monde entier des faisceaux de neutrons générés par des réactions nucléaires.
Vue du réacteur de l’ILL, lumière bleue produite par l’effet Tcherenkov.
Pourquoi produit-on des neutrons ? Composants électriquement neutres des atomes, les neutrons permettent de voir avec une résolution très fine les propriétés de la matière, particulièrement dans les métaux.
L’hélium 3 polarisé renforce cette faculté. Polarisés sous l’effet du gaz, les neutrons permettent de mesurer avec précision les propriétés magnétiques.
Chaque année, environ 1 400 chercheurs de plus de 40 pays viennent à l'ILL réaliser quelque 1 000 expériences, sélectionnées par un comité d’experts. Ces expériences permettent de faire progresser la recherche fondamentale dans des domaines aussi variés que la biologie, la chimie, la physique nucléaire ou encore la science des matériaux, etc. L’ILL collabore aussi étroitement avec les départements R&D de nombreuses entreprises industrielles.
Tyrex-2 : une installation pour polariser l’hélium 3
Certaines expériences menées à l’ILL nécessitent de l’hélium 3 polarisé. C’est le service optique des neutrons qui est chargé de sa production. David Jullien y officie depuis plus de 20 ans. « Il y a très peu de traces de l’hélium 3 à l’état naturel sur Terre. Les stocks existants proviennent de rebuts de l’industrie nucléaire et de la décomposition des ogives. Ce gaz est présent en quantité conséquente dans l’atmosphère lunaire », précise-t-il.
Afin de développer l’utilisation d’hélium 3 polarisé pour les expériences neutroniques, l’ILL s’est doté d’une équipe dédiée et a conçu en 2000 une machine, baptisée Tyrex, pour polariser le gaz et le conditionner dans des cellules expérimentales. L’installation permet aussi de récupérer l’hélium 3 polarisé, utilisé lors des expériences, et de le purifier avant réemploi.
« La mise en fonctionnement de Tyrex a été stratégique. Elle a permis de limiter les pertes d’hélium 3 et à l’ILL de recycler et polariser en moyenne 200 litres de gaz par an », souligne David Jullien. « La machine a montré des premiers signes de vieillissement en 2017. Nous avons alors entrepris d’en réaliser une nouvelle », explique l’expert, qui a assuré la programmation de la machine. Et d’ajouter : « Nous avons profité de l’arrêt du réacteur, pour maintenance, durant deux ans, pour réaliser sa construction. Nous avons conçu une machine plus grande et plus fiable pour augmenter les débits de production. Nous l’avons aussi rendue plus autonome et facile d’utilisation », détaille le technicien.
Le fonctionnement de Tyrex-2
Construite en granit, titane et autres matériaux amagnétiques, équipée d’un compresseur de trois mètres de long, dotée d’une tuyauterie en verre réalisée et soudée par un artisan verrier, meilleur ouvrier de France, de lasers et systèmes optiques sur mesure, Tyrex-2 détonne aussi bien par son esthétique léchée, sa technicité, que par la complexité du procédé de polarisation de l’hélium 3.
La machine Tyrex-2 conçue par le service optique des neutrons de l’ILL. Elle permet de polariser et « recycler » l’hélium 3.
L’hélium 3 sous pression
Pour être polarisé, l’hélium 3 doit être maintenu à basse pression (1 mbar). À l’inverse, la polarisation d’un flux de neutrons nécessite que l’hélium soit à haute pression (2 ou 3 bar). Tyrex-2 permet de résoudre cette problématique, grâce à un processus complexe de transfert de l’hélium 3 qui permet de conserver sa polarisation lors de sa compression à la bonne pression jusqu’à sa livraison sur les sites d’expériences.
La polarisation de l’hélium 3
Pour éviter de polluer le gaz, Tyrex-2 est équipée de multiples systèmes de purification. Une première étape consiste à descendre en pression à 1 mbar, l’hélium contenu dans un réservoir. Cet hélium est injecté dans des tubes en verre qui sont soumis à un champ électrique et à un faisceau laser infrarouge polarisé de forte puissance. La polarisation s’obtient par pompage optique d’un état excité de l’hélium 3 généré par l’action combinée du champ électrique et du faisceau laser. C’est ainsi que l’hélium est polarisé. Cette technique appelée MEOP (Metastability Exchange Optical Pumping) ne marche qu’à basse pression (ici 1 mbar) pour obtenir de forts taux de polarisation.
Conserver la polarisation
La polarisation de l’hélium 3 est un état fragile qui peut être facilement « rompu ». Pour que l’hélium reste polarisé, il ne doit pas être soumis à des variations importantes de champ magnétique. Tyrex-2 est équipée de 9 bobines générant un champ magnétique extrêmement homogène et est conçue entièrement en matériaux amagnétiques. Grâce à un appareil spécial développé par l’ILL, on mesure à ce stade la polarisation du gaz qui doit atteindre un niveau d’environ 80 %.
Monter le gaz en pression
Par un “jeu” d’ouverture de vannes, et sous l’action d’un compresseur linéaire de 3 mètres de long, animé par un vérin hydraulique, le gaz contenu dans les tubes en verre à très basse pression est transféré via plusieurs séquences de compression dans un réservoir en verre (un buffer). Quand ce buffer atteint la pression nominale de 300 mbar, le gaz est transféré dans les cellules expérimentales via le même compresseur. L’opération se répète alors jusqu’à atteindre la pression désirée dans les cellules expérimentales. Le gaz est transféré en une seule fois pour les cellules de petites tailles jusqu’à une dizaine de fois pour les plus grosses. Le remplissage des cellules, en verre ou en silicium, peut prendre jusqu’à quatre heures. Tyrex-2 traite également l’hélium « sale » de retour d’expérience via un « autre circuit » balisé par différents filtres.
L’installation de polarisation et recyclage de l’hélium 3 a été conçue pour être plus autonome que la première. Tout l’enjeu de recourir à une solution telle que Vasco était d’optimiser, au maximum, les différents temps de cycles de compression de la machine et d’éviter les déperditions du précieux gaz.
Synoptique de Tyrex-2.
Une collaboration réussie
« Malgré de réelles compétences en interne, à l’issue de la construction de la machine, nous avons décidé de nous faire accompagner dans le choix et la mise en place d’un logiciel de pilotage de la machine », raconte David Jullien.
« Nous avons lancé un appel d’offres. Parmi les solutions proposées, celle de Nerys est sortie du lot à plusieurs titres. L’entreprise affichait une expertise forte en développement LabVIEW. Je connaissais aussi la bonne réputation de Mesulog qui l’avait rejointe au sein de Nerys Group. J’ai enfin tout de suite noté les possibilités qu’offrait Vasco », explique David Jullien.
Du côté de Nerys Group, porté par le binôme Amaury Laurent et Benjamin Lerch, développeur, l’enthousiasme a été au rendez-vous pour travailler sur un tel projet. « La machine est magnifique et techniquement incroyable », souligne Amaury Laurent, admiratif du savoir-faire exceptionnel qui existe à l’ILL. « Le capteur capable de mesurer la polarisation de l’hélium, de même que les cellules expérimentales en silicium, entre autres, sont des réalisations internes ! »
« Sur le plan technique, ce type de projet vous fait forcément progresser », reconnait Amaury Laurent.
Et de souligner : « Nous avons rencontré des problématiques importantes liées à la complexité de la machine. En particulier, il fallait être capable de gérer le fait que plusieurs actions se déroulent en même temps quand la machine est en fonctionnement (prise en compte en simultané de deux cellules de remplissage, ouverture et fermeture des vannes…). Nous avons su apporter des solutions qui viennent encore enrichir Vasco comme la mise en place d’un mécanisme pour exécuter des instructions à distance et la mise en place de verrous d’exclusion qui évitent les états non souhaités lors d’exécutions simultanées de deux scénarios identiques ».
« Les échanges avec David Jullien ont été très constructifs. Il possède une connaissance extrêmement pointue de la machine et avait une idée très précise de ce qu’il souhaitait. Il nous a apporté des organigrammes fonctionnels, ainsi que des formules mathématiques pour élaborer les seuils de déclenchement, des calculs de pression de consigne, etc. que nous avons directement intégrés dans Vasco », explique Amaury Laurent.
En partant du premier plan, David Jullien, Benjamin Lerch et Amaury Laurent devant Tyrex-2.
Concernant le matériel d’acquisition associé à la machine, l’organisation suivante a été mise en place :
- Un PC sous Windows exécute Vasco et permet l’affichage de l’interface de pilotage.
- Un CompactRIO exécute Vasco RT (temps réel). Ce dernier assure le pilotage général de la machine, des vannes et des lasers. Il acquiert également les pressions. Il intègre aussi un compteur kilométrique et un compteur horaire pour le vérin.
- Un CompactDAQ, déporté au niveau des tubes en verre, permet de collecter d’autres mesures, notamment des champs électriques et celles liées à la polarisation.
Les deux équipements de mesure sont synchronisés en TSN (Time-Sensitive Networking).
Matériel d’acquisition CompactRIO (photo 1) et CompactDAQ (photo 2) de NI (Emerson) utilisé sur Tyrex-2.
Les deux développeurs soulignent également la forte valeur ajoutée qui a été apportée sur la partie scénarios. Près de 2 700 lignes de scénarios applicatifs ont été générées via le module Blockscript de Vasco !
Vue de scénarios Blockscript.
Enfin, ils sont aussi particulièrement fiers du rendu de l’interface d’affichage et de pilotage de Tyrex-2, à la fois ergonomique, esthétique et pratique.
L’interface montre l’état de la machine au fil de l’eau. Le tableau de bord général affiche deux postes de remplissage (deux cellules) nourris par une base de données qui recense toutes les cellules en stock de la machine. Cette base de données intègre près de 400 paramètres d’application tels que les seuils de déclenchement d’ouverture des vannes, les consignes de pression, la vitesse de déplacement, les constantes de calculs…
Des interfaces spécifiques ont été développées, notamment celle qui permet l'affichage et le pilotage du volet optique, une autre supervise le groupe hydraulique. Un affichage offre aussi une visualisation réaliste du remplissage des tubes en verre.
Vue des interfaces de la machine Tyrex-2.
« Nous avons travaillé en étroite collaboration avec David Jullien. Il a réalisé certains visuels directement sous LabVIEW et nous les avons intégrés dans Vasco. Le résultat est vraiment très sympa », analyse Amaury.
David Jullien se réjouit également de la qualité de la collaboration avec Nerys. « Amaury, qui a été mon interlocuteur, tout au long du projet, a une très bonne compréhension des choses. Il possède une grande polyvalence, précieuse pour comprendre les rouages et subtilités d’une machine comme Tyrex-2. Benjamin et lui ont fait preuve de réactivité et d’une grande disponibilité pour nous permettre d’achever la machine dans les délais attendus », souligne David Jullien. « Vasco a aussi tenu toutes ses promesses. J’ai particulièrement apprécié la programmation des scénarios via Blockscript qui m’a fait gagner énormément de temps durant la mise au point de la machine », précise-t-il.
La plupart des développements réalisés pour Tyrex-2 n’ont pas nécessité de code spécifique, ce qui illustre que Vasco est une solution avec une forte adaptabilité. Surtout, alors qu’il a été conçu pour superviser des bancs de tests, Vasco démontre sa capacité à piloter des machines spéciales complexes. Une machine similaire à Tyrex-2 a été commandée par un centre suédois qui produira également des faisceaux de neutrons. Vasco sera installé sur cette machine. Quelle meilleure reconnaissance ?
Pour en savoir plus sur Vasco : la page VascoSuite.
Propos recueillis et rédigés par Khady Bathily.
Remerciements à David Jullien et Amaury Laurent pour leurs témoignages.
Crédit photos : ILL - Tous droits réservés.
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