L'assemblage des cryomodules XFel

Vue aérienne du site E-XFel entre Hambourg et le Schleswig-Holstein. Ses installations souterraines s’étendent sur plus de 3 km.

Le projet European-XFEL est une source de lumière dite de 4e génération qui produira des flash-laser extrêmement brillants (~ 1033 photons/s/mm2/mrad2) et ultra-courts (~10-100 fs) de rayons X jusqu’à 0,5 Å de longueur d’onde. Le but est de micro-photographier des structures et des processus physiques, chimiques ou biologiques afin d’en révéler la cinétique grâce à une exposition lumineuse jamais atteinte.

 

À la base de cet instrument se trouve un accélérateur linéaire supraconducteur à électrons de 17,5 GeV et 1,9 km de long ci-dessous dont la construction est prise en charge par un consortium d’instituts européens, basés principalement en Allemagne (Desy), France (CEA, IN2P3), Italie (INFN), Espagne (Ciemat), Suisse (PSI), Pologne (NCBJ) et Russie (BINP). Sa mise en service est prévue en 2016 et la fourniture des premiers faisceaux aux utilisateurs en 2017. Cet accélérateur utilisera 101 cryomodules identiques (photo ci-contre), de 12 m de long, intégrant un train de 8 cavités RF supraconductrices (1,3 GHz) suivies d’un quadripôle et d’un moniteur de position, refroidi à l’Hélium liquide à 2 K. Un ensemble de 3 cryomodules de pré-séries et de 100 cryomodules de séries sont assemblés à Saclay sous la responsabilité du CEA par l’opérateur industriel Alsyom sur le plateau technique, appelé ‘Village XFEL’, composé d’une chaîne de 7 stations de montage successives, pour la plupart doublées (illustrations ci-après).

 

Cryomodules XFEL dans le tunnel de l’accélérateur.

Pour contenir la construction de l’accélérateur dans une durée de l’ordre de 3 ans, Desy, le CEA et les autres laboratoires fournisseurs de composants de l’accélérateur ont fixé à un cryomodule par semaine la cadence de réalisation tout au long de la chaîne de production, de la fabrication des composants jusqu’à l’installation dans le tunnel, en passant par l’intégration à Saclay et les tests à Desy. Afin de récupérer les retards survenus en 2012 et 2013 dans la production de composants essentiels tels que les cavités et les coupleurs, le projet s’est fixé pour objectif d’atteindre la cadence de production de 4 jours en début 2015. En conséquence, l’occupation de chaque station de montage ne doit pas dépasser 4 jours, et l’intégration doit être complète en moins de 28 jours. Cet objectif a été atteint et maintenu pendant toute l’année 2015.

 

Plan du Village XFEL avec la chaîne des 7 stations de montage

Grâce à cette productivité, 52 cryomodules ont été produits en 2015 et le 80e a pu être mis à disposition par Alsyom le 24 décembre 2015 dans un calendrier globale qui prévoyait l‘expédition du dernier cryomodule à la fin avril 2016. Si les années 2013 et 2014 ont été consacrées d’abord à la maîtrise par le CEA du procédé et de l’outil d’intégration grâce à 3 modules de préséries, avec des difficultés notables dans le soudage certifié des tubes Titane de l’enceinte, puis à surmonter les difficultés de la production industrielle, en particulier le traitement et la résolution des non-conformités des produits (ex. les cryostats) et de procédures (ex. le montage des coupleurs), la production a atteint une cadence nominale d’expédition hebdomadaire en octobre 2014 avec le module XM15, puis rapidement d’un cryomodule tous les 4 jours en janvier 2015 avec le module XM25. Grâce à l’amélioration continue des procédés d’assemblage basée sur des audits de terrain et sur l’analyse et le perfectionnement des procédures de montage, surtout en salle blanche où les cavités supraconductrices sont le plus exposées aux particules, le projet a franchi un cap majeur dans la qualité de l’assemblage, à partir du module XM26 et surtout du module XM55, en maintenant le champ accélérateur des cryomodules au niveau de celui obtenu lors des tests de qualification individuels des cavités à Desy courbe ci-dessous.

 

Gain en champ accélérateur (MV/m) des modules XM1 à XM80.

 

Ce maintien des performances, sans dégradation, n’avait jamais été réalisé auparavant à ce niveau de champ accélérateur nulle part dans le monde. Le projet E-XFEL est un exemple réussi de partenariat des laboratoires de recherche avec l’industrie principalement européenne (Zanon, RI, Thales, Alsyom, Aperam, MecaMagnetic, Jehier, etc…) dans la production en grande série de composants accélérateurs de haute technicité pour la construction d’un accélérateur supraconducteur de très grande taille. Pour sa part, le CEA a initié et mené un partenariat original qui a permis l’industrialisation de l’assemblage des cryomodules dans ses infrastructures, avec ses équipements et outillages, et sous la supervision des équipes de l’Irfu.

 

 

Maj : 26/06/2017 (3313)

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