Cavités supraconductrices pour machines à rayonnement synchrotron : cryomodules Soleil et Super-3HC

Pour fournir des faisceaux de lumière de forte brillance, les machines à rayonnement synchrotron de 3e génération fonctionnent avec des faisceaux très intenses d’électrons répartis en paquets de dimension très réduite. Ces caractéristiques peuvent générer des instabilités dangereuses pour le faisceau. La technologie des cavités supraconductrices est un des éléments permettant de franchir ces instabilités et d’atteindre les caractéristiques du faisceau requises pour les fortes brillances.

 
Cavités supraconductrices pour machines à rayonnement synchrotron : cryomodules Soleil et Super-3HC

Distribution du champ électrique, dans la structure radiofréquence Soleil, pour le mode fondamental (dessin du haut) et pour le mode HOM, l’harmonique d’ordre le plus élevé (dessin du bas). Les coupleurs, situés aux ventres des ondes stationnaires vibrant entre les deux cavités, évacuent vers l’extérieur les ondes parasites.

L’activité du SACM dans ce domaine repose sur une structure radiofréquence (RF) supraconductrice à 4,5 K, dont l’idée originale a pu être développée dans le cadre de l’avant projet détaillé du projet Soleil (Source optimisée de lumière d’énergie intermédiaire de Lure). Cette « cavité Soleil » est constituée de deux cellules reliées par un tube de gros diamètre. Le diamètre et la longueur du tube sont calculés pour piéger le mode fondamental à l’intérieur de chaque cellule tout en permettant l’extraction des modes de fréquence supérieure. Le faisceau d’électrons, dont la structure est périodique, est une source d’excitation pour les modes supérieurs à l’origine d’instabilités. Des coupleurs à boucle supraconductrice disposés sur le tube intérieur amortissent ces modes. L’emplacement et la géométrie de ces coupleurs sont optimisés par le calcul puis par des mesures sur des maquettes. Ce type de cavité monomode a été développé au SACM pour deux applications : • Le cryomodule Soleil, qui compense l’énergie électromagnétique perdue à chaque tour sous forme de rayonnement synchrotron en injectant une puissance RF externe : à terme 650 kW seront transférés au faisceau en continu par des coupleurs de puissance. • Les cryomodules Super-3HC (Third harmonic superconducting passive cavities) qui suppriment des instabilités du faisceau par effet Landau damping et augmentent sa durée de vie. Là, ce sont les électrons du faisceau qui transfèrent une faible partie de leur énergie pour générer le champ dans les cavités.

 
Cavités supraconductrices pour machines à rayonnement synchrotron : cryomodules Soleil et Super-3HC

Cavité Soleil prête pour l’assemblage en salle blanche.

Cryomodules Soleil

Le cryomodule prototype, fonctionnant à 352 MHz et 4,5 K, a été étudié et réalisé par le SACM en collaboration avec le Cern. Les premiers tests en puissance ont eu lieu au Cern en décembre 1999. Ensuite, nous avons signé un accord avec l’ESRF (European synchrotron radiation facility) pour effectuer une campagne de tests avec faisceau sur l’anneau de Grenoble, à froid et à température ambiante. Ce second mode de fonctionnement n’était pas prévu à l’origine ; l’année 2001 a été consacrée à la préparation du cryomodule afin de le rendre utilisable à température ambiante sans incidence pour les utilisateurs de la machine. Lors des tests effectués en 2002 à l’ESRF, le cryomodule Soleil a généré une tension RF crête supérieure à 3 MV avec une puissance de 200 kW par cavité, de façon stable, pendant plusieurs heures, contribuant ainsi à stocker un courant d’électrons de 180 mA. Ces performances sont suffisantes pour la première année de fonctionnement de Soleil en 2005. Il a donc été décidé que la mise en service de Soleil serait réalisée avec ce seul cryomodule prototype.

 
Cavités supraconductrices pour machines à rayonnement synchrotron : cryomodules Soleil et Super-3HC

Cryomodule Soleil installé sur l’anneau de stockage de l’ESRF pendant l’année 2002.

Avant son installation sur la machine, le cryomodule subira un démontage complet et les cavités seront rincées. De plus, dans le cadre d’une collaboration CEA-Soleil-Cern, nous installerons de nouveaux coupleurs HOM dipolaires pour permettre une meilleure réjection du mode fondamental, nous modifierons le circuit interne d’hélium pour améliorer le refroidissement de la boucle de ces coupleurs, nous ajouterons un écran d’isolation thermique pour diminuer les pertes cryogéniques statiques, et nous rénoverons toute l’instrumentation. Les études mécaniques ont été sous-traitées entre mai et août 2003, et les opérations de démontage ont débuté en novembre 2003. Les tests en puissance du cryomodule rénové sont prévus en décembre 2004 au Cern. Un deuxième cryomodule reprenant la même conception que le premier et intégrant quelques améliorations supplémentaires est en cours d'élaboration. Son installation sur la machine est prévue en 2006.

 
Cavités supraconductrices pour machines à rayonnement synchrotron : cryomodules Soleil et Super-3HC

Assemblage des cavités Super-3HC dans la salle blanche du SACM.

Cryomodules Super-3HC

Deux cryomodules à cavités harmoniques supraconductrices ont été développés et réalisés dans le cadre d’un accord entre la Direction des sciences de la matière du CEA et les sources de lumière SLS (Swiss light source, Paul Scherrer institut) et Elettra (Trieste, Italie). Le Cern est intervenu dans ce projet pour fabriquer les deux cavités en niobium-cuivre à 1,5 GHz. Les études ont commencé en 2000. Après les phases de réalisation, d’assemblage et de tests, les deux cryomodules Super-3HC ont été installés sur leurs machines respectives, SLS en juin et Elettra en août 2002.

 
Cavités supraconductrices pour machines à rayonnement synchrotron : cryomodules Soleil et Super-3HC

Cryomodule Super-3HC installé sur l’anneau de Elettra à Trieste.

La mise en œuvre du module SLS a montré l’efficacité prévue par le calcul sur la stabilité et la durée de vie du faisceau : augmentation d’un facteur 2,2 mesurée. Pendant l’année 2003 le fonctionnement nominal de la machine s’est donc poursuivi avec les cavités Super-3HC activées, sans aucun arrêt de la machine provoqué par le cryomodule. Sa fiabilité est ainsi démontrée. La mise en œuvre du module Elettra a été retardée par des problèmes techniques sur le liquéfacteur ; la première mise en froid a été effectuée début janvier 2003. Pendant les périodes de fonctionnement à température ambiante, le seul mode de fonctionnement possible est un mode à haute énergie (2,4 GeV) car à plus faible énergie (2,0 GeV) le faisceau devient instable à cause des interactions avec les cavités Super-3HC. Ce problème, qui n’avait pas été anticipé par Elettra est le défaut majeur du système qui interdit certains modes de fonctionnement en cas de panne du liquéfacteur. Par contre, à froid, l’activation des cavités supraconductrices apporte un gain très important en terme de stabilité et de durée de vie du faisceau. Grâce aux cavités Super-3HC, Elettra a pu pour la première fois délivrer un faisceau de 2,0 GeV et 320 mA, stable longitudinalement. Une augmentation de la durée de vie d’un facteur 3,5 a été mesurée. Ces cavités harmoniques supraconductrices sont les premières à être installées avec succès sur des machines à rayonnement synchrotron.

 

Maj : 17/12/2013 (654)

 

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