Les développements axés sur les accélérateurs supraconducteurs pulsés pour des faisceaux de protons intenses entrepris dans le cadre du programme européen Care/Hippi se sont poursuivis dans les nouveaux programmes lancés en 2009 (SLHC-PP, Eucard et la contribution de la France au Cern). Ils sont également motivés par les décisions des responsables des projets SPL (Cern) et de ESS-S qui retiennent la technologie des cavités supraconductrices fonctionnant à 704 MHz comme solution de référence pour leurs linacs à protons.
Système d’accord en fréquence
À travers ces différents programmes, le SACM a mis au point des cavités supraconductrices elliptiques qui sont optimisées pour l’accélération de faisceaux intenses en mode pulsé. Ce mode de fonctionnement induit des variations du champ accélérateur en amplitude et en phase du fait des forces de pression électromagnétique qui s’exercent de façon pulsée sur les parois et, en conséquence, modifient la fréquence de la cavité. Pour une cavité donnée, ce phénomène est d’autant plus important que le niveau de champ est élevé, et il peut entraîner une dégradation des qualités du faisceau accéléré. Afin de dépasser cette limitation, le SACM a développé un système rapide d’accord en fréquence et un algorithme de compensation qu’il a qualifiés lors d’une campagne d’essais sur une cavité à b = 0,5 particulièrement sensible aux effets de la pression de radiation (cavité elliptique à 5 cellules fonctionnant à 704 MHz et optimisée pour accélérer des particules de rapport de vitesse b = v/c = 0,5).
Performances de la cavité à b = 0,5 développée dans le programme Care/Hippi, avec et sans le blindage magnétique destiné à écranter le champ magnétique terrestre qui augmente les dissipations dans la cavité supraconductrice.
Cavité à b = 0,5 dans son tank d’hélium et munie de son système d’accord en fréquence.
Coupleurs de puissance
Les études des accélérateurs de ce type portent sur des faisceaux de protons de plusieurs dizaines de mA et des gradients élevés au-delà de 20 MV/m. Avec ces paramètres, des coupleurs de puissance capables de transmettre plusieurs centaines de kW à chaque cavité sont nécessaires. Le SACM a développé deux prototypes de coupleurs de puissance optimisés pour la fréquence de 704 MHz qui ont été conditionnés jusqu’à 1,2 MW avec un cycle utile de 10 % (limite de notre chaîne radiofréquence). Après montage d’un de ces coupleurs en salle blanche sur la cavité à b = 0,5, l’ensemble a fonctionné à 1 MW au cycle utile nominal dans le cryostat horizontal d’essais Cryholab. Grâce à ces excellentes performances, il est démontré qu’un seul coupleur est nécessaire pour alimenter une cavité à haute énergie des linacs SPL ou ESS au niveau requis de 1 MW environ.
La plateforme Supratech
C’est pour conditionner et tester les systèmes développés pour ce type d’accélérateurs que le SACM a mis en service une installation performante qui reste unique en Europe à ce jour. La plateforme Supratech de Saclay regroupe les équipements qui délivrent une puissance RF à 704 MHz jusqu’à 1,2 MW pic en créneaux d’une durée de 2 ms à une fréquence de répétition de 50 Hz ainsi que les cryostats d’essais permettant de qualifier les composants accélérateurs dans des conditions réalistes de fonctionnement.
Deux coupleurs prototypes assemblés sur le banc de conditionnement des coupleurs à 704 MHz.
Cavité à b = 0,5 complètement équipée (avec son tank d’hélium, son système d’accord en fréquence, son coupleur de puissance et son blindage magnétique) en cours de montage dans le cryostat horizontal d’essai Cryholab.
Cavités elliptiques à β = 1
À partir de l’expérience acquise sur ces systèmes, le SACM a conçu une cavité elliptique b = 1 à 5 cellules fonctionnant à 704 MHz et optimisée pour accélérer des protons d’énergie de l’ordre de 1 GeV. Sa forme est particulièrement adaptée pour fonctionner avec un gradient élevé de 25 MV/m.
Les études se poursuivent pour l’équiper de coupleurs de modes supérieurs capables d’amortir les excitations néfastes pour le faisceau. Cette cavité, fabriquée à partir de niobium de grande pureté (RRR > 300), sera munie de brides en niobium-titane soudées par faisceau d’électrons et d’une enceinte d’hélium en titane elle aussi soudée. Une pièce latérale en titane, placée à la jonction entre l’enceinte d’hélium et la cavité, a été spécialement étudiée pour permettre l’accroche du système d’accord en fréquence et pour transmettre efficacement les déformations induites par le système piézo-électrique rapide.
Maquette de la cavité à b = 1 développée dans le programme Eucard ; cette cavité est parfaitement adaptée à l’accélération des faisceaux de protons à des énergies élevées.
