Le projet EUPRAXIA vient de terminer fin 2019 sa phase d'étude de conception avec la délivrance du Rapport de Design Conceptuel (CDR). L'implication forte de l'IRFU, notamment dans le domaine de physique du faisceau de particules, a permis de montrer que des solutions existent pour la réalisation d'un accélérateur à champ de sillage dans les plasmas, avec une qualité de faisceau approchant celle des accélérateurs conventionnels.
L'étude détaillée des mécanismes physiques a pu guider efficacement les simulations numériques, chacune durant plus de 10h sur 2048 nœuds de calcul, pour démontrer que tous les objectifs du faisceau à la sortie peuvent être atteints avec un plasma de longueur 30 cm, de densité électronique 1,1017 cm-3, et un laser de puissance 400 térawatts, d'énergie 50 joules. Des méthodes innovantes ont été mises en œuvre pour pouvoir, sans dégrader le faisceau, l'accélérer et le conduire à travers les deux étages plasma jusqu'à l'utilisateur final. Une analyse des tolérances aux erreurs a permis d'identifier les composants les plus sensibles auxquels un soin particulier devrait être apporté lors de la fabrication et l'installation.

Après plus de 5 ans de développement dont 6 mois de travail d’intégration depuis les 12000 pièces détachées jusqu’à un cryomodule complet, le CEA-Irfu vient de valider les premières mesures de ce système complexe cryogénique au champ accélérateur ESS nominal de 17 MeV/m dans les 4 cavités accélératrices supraconductrices le composant.

Aux limites de technologies, c’est la première fois qu’un champ accélérateur aussi intense, maintenu sur des durées de pulse aussi longues et avec une puissance RF aussi importante, est mesuré dans des cavités supraconductrices installées dans un cryomodule.

Cette étape clé permet d’aborder la phase production des 30 cryomodules que la France doit livrer à cette infrastructure de recherche ESS, future source à neutrons opérationnel en 2023 en Suède. Cette intégration en série débutera dès le mois de janvier 2019 sous la maitrise d’œuvre de l’Irfu avec la contribution de l’entreprise B&S France et devra s’achever en 2022.

Début août 2017, le dipôle FRESCA2, conçu et réalisé en collaboration entre l’Irfu et le CERN, a atteint le champ de 13,3 T au centre de l’ouverture de 100 mm lors des tests effectués dans la station d’essai HFM au CERN. C’est un nouveau record mondial, avec une énergie stockée de 3 MJ/m et des forces mécaniques jamais atteintes dans ce type d’aimant. Cet électroaimant a été étudié pour donner une homogénéité de champ magnétique de l’ordre du pourcent sur une longueur de 540 mm.

Lors d’un premier refroidissement à 1,9 K, l’aimant dipôle FRESCA2b a atteint un champ de 13,04 T à 10,6 kA après deux quenchs [1] et ce champ a été maintenu dans l’aimant pendant une heure. Si seulement deux essais ont pu être réalisés à 4,5 K, compte-tenu du temps disponible, ils ont montré deux quenchs à des valeurs très proches du champ nominal (12,98 T). Après un cycle thermique (remontée à la température de 280 K et deuxième refroidissement à 1,9 K), l’aimant a atteint le champ de 13,3 T à 10,85 kA sans quench additionnel. Cette valeur correspond à 71 % de la valeur maximale atteignable sur la ligne de charge de l’aimant. A 13 T, l’aimant a montré un fonctionnement stable pendant quatre heures. La station de test est à présent en maintenance, et les tests devraient reprendre en octobre pour explorer les limites d’opération du nouvel aimant.

Les équipes du DACM et du DIS ont réalisé un champ magnétique record de 4,52 teslas au centre d’un dipôle prototype bobiné avec un matériau supraconducteur à haute température critique lors d’essais en bain d’hélium liquide. C'est 1 tesla de plus que le dernier record connu pour un dipôle du même type.

 

Ce dipôle est la première étape vers l’utilisation des supraconducteurs à haute température critique (HTS) pour les aimants d’accélérateurs. Il a comme objectif de démontrer l’utilisation possible d'un ruban céramique HTS de type REBCO pour générer un champ additionnel de 5 T à 4,2 K dans le champ de 13 T du dipôle Nb3Sn FRESCA2, et obtenir un champ total de 18 T.

La conception de cet aimant a commencé dans le cadre du programme européen EuCARD (European Coordination for Accelerator Research and Development), en collaboration avec le CNRS de Grenoble, l’INFN de Milan, l’Université de Tampere et le CERN. Ella a été poursuivie et complétée dans le cadre du premier contrat de collaboration CERN/CEA sur les aimants supraconducteurs pour les accélérateurs du futur. Le design de l’aimant a ainsi pu être amélioré et le prototype réalisé par les agents du Laboratoire d’Etudes des Aimants Supraconducteurs (LEAS) à Saclay de 2014 à 2016.

Les tests de l’aimant ont débuté en avril 2017, dans la station d’essai Séjos du Laboratoire de Cryogénie et Stations d’Essais (LCSE). Une première campagne d’expériences à 77 K, en azote gaz, puis en bain d’azote liquide, a permis de vérifier les performances du câble supraconducteur tout en restant à des valeurs réduites d’énergie stockée. Au delà du courant nominal de 295 A, ces essais à 77 K ont été poussés jusqu'à 320 A.

Les tests ont repris après le refroidissement de l’aimant à une température proche de celle de l’hélium liquide. A cette température, le courant nominal nécessaire pour produire un champ central de 5 T est de 2800 A. Les performances de l’aimant ont d’abord été testées en hélium gaz, conditions pour lesquelles une transition de l’aimant est plus facilement détectable. Le courant de l’aimant a été progressivement augmenté jusqu’à une valeur maximale de 2500 A. A cette valeur, une induction magnétique de 4,3 T a été mesurée par les sondes de hall placées au centre de l’aimant.

Les tests se sont poursuivis en bain d’hélium liquide à 4,2 K. Le courant dans l’aimant a été limité à 2600 A valeur maximale de l’alimentation de puissance utilisée. Aucun signe de transition des rubans supraconducteurs n’a été détecté. L’induction magnétique mesurée au centre de l’aimant était de 4,52 T.

L’ajout d’un nouveau module de puissance, disponible mi-septembre, doit permettre d’atteindre voire dépasser le courant nominal de 2800 A.

Ces tests préliminaires permettront aussi de valider l’ensemble des codes développés dans le cadre des études de l’aimant et de la R&D HTS, notamment pour les problèmes intrinsèques aux supraconducteurs HTS (quench de l’aimant, magnétisation, courants d’écrantages).

 

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