L'accélérateur linéaire à protons de Fair
L'accélérateur linéaire à protons de Fair

Vue aérienne du site Fair en construction.

Le projet Facility for Antiproton and Ion Research (Fair) de GSI (Gesellschaft für Schwerionenforschung mbH) rassemble autour d’une même installation plusieurs thématiques de physique : la physique des noyaux exotiques, la physique hadronique avec les collisions proton – antiproton, l’étude des réactions d’ions lourds relativistes (quelques dizaines de GeV par nucléon), la physique des plasmas et la physique atomique.

 

LE PROTON LINAC

Dans le cadre de l’accord Franco-Allemand sur la participation à la construction des installations Fair, le SACM contribue plus particulièrement à l’accélérateur linéaire à protons (« Proton Linac ») par le développement et la réalisation de la source d’ions, de la ligne de transport à basse énergie (LBE), des aimants de la ligne à haute énergie et des Beam Position

Monitor (BPM). Le « Proton Linac » et les éléments associés fournis par le SACM appartiennent au premier étage d’une chaîne d’accélérateurs qui permet ensuite de créer les antiprotons par impact sur une cible. Il accélérera un faisceau de protons à une énergie de 70 MeV. C’est un accélérateur chaud composé d’une source Electron Cyclotron Resonance (ECR) de protons, suivi d’une ligne basse énergie comportant deux solénoïdes, d’un Radio Fréquence Quadripôle (RFQ) et d’un Drift Tube Linac (DTL) à base de cavités Cross-bar H-mode (CH). À l’extrémité de l’accélérateur, un ensemble d’aimants assure la déviation du faisceau pour l’injection dans l’étage supérieur : le synchrotron SIS18. Il est composé de 2 dipôles à 45° et de 2 quadripôles.

 
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Émission radiale du plasma d’hydrogène.

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Apercu schematique de l’accelerateur lineaire a protons.

Le faisceau de 35 mA requis est pulsé à 4 Hz avec une longueur d’impulsion de 40 μs. Bien que le courant du faisceau injecté dans le synchrotron SIS18, soit limité à 35 mA, la conception de l’accélérateur linéaire de protons a été dimensionné pour un courant de 70 mA. Sur toute la longueur de l’accélérateur, un ensemble de diagnostics est utilisé pour contrôler les propriétés du faisceau. En particulier, une série de 14 BPM permet l’alignement du faisceau ainsi que les mesures de l’intensité et de l’énergie le long de l’accélérateur linéaire. La source de type ECR à 2,45 GHz doit délivrer un faisceau de 100 mA de protons (130 mA d’intensité maximum) à une énergie de 95 keV, en mode pulsé à une fréquence de 4 Hz. Afin d’injecter correctement le faisceau dans le RFQ, l’émittance doit être inférieure à 0,30 π.mm.mrad. Afin de satisfaire ce critère, une ligne basse énergie très compacte à base de deux solénoïdes intégrant des correcteurs dipolaires horizontaux et verticaux a été conçue pour limiter l’augmentation d’émittance due à la charge d’espace du faisceau.

 

Avant l’injection dans le RFQ, un déviateur électrostatique (chopper) hache le faisceau de manière à créer des pulses très courts de quelques dizaines à quelques centaines de microsecondes. La longueur du pulse faisceau initial en sortie de la source est de l’ordre de 5 ms. Le faisceau dévié est collecté sur un cône en cuivre refroidi et recouvert d’une couche de 2 mm de tungstène assemblé par Compression Isostatique à Chaud (CIC). Ce cône a été réalisé en collaboration avec le Liten. Les paramètres du faisceau sont contrôlés au moyen de divers diagnostics positionnés entre les deux solénoïdes. L’installation de l’ensemble de la source et de la ligne basse énergie jusqu’à la sortie du 2e solénoïde a débuté fin 2012 par la mise en place de la cage et de la plateforme haute tension, puis du système de refroidissement. L’ensemble a été mis sous vide et les tests haute tension ont été réalisés. La plateforme a pu ainsi être montée à 100 kV.

Au début du mois de novembre 2015, une étape importante a été franchie avec la production du premier plasma d’hydrogène dans la chambre d’ionisation avec une puissance injectée par le magnétron de 80 watts, pulsé à 4 Hz. Depuis les diagnostics faisceau sont en phase d’assemblage et de test.

 
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Allison scanner.

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Chambre chopper.

. Pour mesurer l’intensité du faisceau, 2 Alternative-Current Current Transformers (ACCT) ont été développés en étroite collaboration avec la société BERGOZ, puis ont été installés. Le premier est situé en sortie de source et le deuxième en sortie du deuxième solénoïde avant le chopper. Nous avons développé, d’une part, en collaboration avec l’IPHC Strasbourg, l’Allison scanner pour mesurer l’émittance du faisceau ; et d’autre part, un filtre de Wien à base d’aimants permanents en structure de Halbach pour mesurer les différentes espèces (H+, H2+, and H3+) présentes dans le faisceau. GSI fournira un profileur de faisceau à fils Grid – Secondary emission Monitor (SEM) horizontal et vertical (64x64 fils), ainsi qu’un système de fentes réglables pour contrôler la taille du faisceau ou limiter l’intensité.

 

LA MISE EN SERVICE DE L’INJECTEUR

Programmée en 3 phases, la mise en service a débutée en 2015 :

1) Le chopper est installé et la chambre diagnostics additionnelle est montée après la chambre chopper ; l’ensemble complet Source et LBE est caractérisé.

 
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Filtre de Wien.

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Préamplificateur prototype.

2) Montage de la chambre diagnostics additionnelle en sortie du tube accélérateur pour caractériser la source (intensité, proportions, émittance)

 

3) Ligne basse énergie sans la chambre chopper et le montage de la chambre diagnostics additionnelle en sortie du deuxième solénoïde ; Les diagnostics seront installés successivement entre les deux solénoïdes et après le deuxième solénoïde.

Diagnostics faisceau : BPM L’ensemble des 14 moniteurs de position de faisceau nécessaires le long de l’accélérateur

comporte 4 BPM situés en sortie des cavités accélératrices, les 10 autres étant situés dans les lignes de transport.

Les calculs de radiofréquences et les calculs électromagnétiques ont été réalisés en collaboration avec GSI. Ils ont été réalisés pour différentes valeurs d’énergie, différentes longueurs de paquet, différents diamètres de bouton et de tube faisceau et différentes dimensions de bouton. La conception d’un BPM bouton et du corps du BPM pour les sections à la sortie des cavités a abouti, courant 2015, à la réalisation mécanique d’un prototype. Le prototype mécanique se compose de 4 électrodes boutons de diamètre 14 mm montées sur un tube composé d’un cône afin de diminuer la propagation du champ électrique venant de la cavité. La conception et la réalisation d’un banc de test par l’Irfu a permis de mesurer et de qualifier ce BPM. Un générateur envoie de manière continue un signal à une fréquence donnée (soit la fréquence de fonctionnement de l’accélérateur, soit à un de ses harmoniques) sur un fil passant à l’intérieur du BPM. Ce fil simule le faisceau. Pour un déplacement donné du BPM, la puissance reçue par chaque électrode est mesurée par des sondes de puissance. Le traitement informatique permet de caractériser la sensibilité, la linéarité, d’effectuer une carte de position, et de déterminer le centre électrique du BPM. Un banc de test a également été mis à disposition par l’IPN Orsay pour effectuer et comparer les différentes mesures. Un prototype de préamplificateur à 2 voies a également été conçu et réalisé pour l’amplification des signaux recueillis par les boutons.

 
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BPM section inter-cavités.

#3303 - Màj : 21/06/2017

 

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