Considérés d’abord comme des instruments pour la recherche en physique nucléaire puis en physique des particules, les accélérateurs s’ouvrent aujourd’hui à des applications de plus en plus diversifiées. Les futurs faisceaux intenses de protons permettront notamment la production de faisceaux de noyaux exotiques pour la physique nucléaire, et de neutrinos pour la physique des particules. De plus, ils pourraient servir à la transmutation des déchets nucléaires, à l’irradiation de matériaux, à l’étude de la matière condensée et à la production d’énergie. Les faisceaux d’électrons, déjà utilisés dans les collisionneurs ou comme sonde électromagnétique, servent également à produire des sources intenses de lumière (rayonnement synchrotron, lasers à électrons libres). Les accélérateurs sont également présents dans le domaine médical, avec par exemple les synchrotrons pour l’hadronthérapie.

Accélérateurs linéaires d’ions à haute intensité

Les accélérateurs linéaires (linacs) de protons à haute intensité constituent des sources intenses bien adaptées à la production de faisceaux secondaires de neutrons, muons, neutrinos, noyaux radioactifs, etc.
Le prototype d’injecteur de protons à haute intensité (Iphi) concerne la partie « basse énergie » de ces accélérateurs de future génération. Son objectif est d’offrir des références technologiques, industrielles et expérimentales aux concepteurs des futurs linacs. Iphi se compose d’une source intense de protons et d’une cavité quadripolaire à radiofréquence RFQ, (radio frequency quadrupole). Les contraintes sévères sur le faisceau exigent un usinage très précis, un brasage sans déformation et une régulation thermique rigoureuse, obtenus grâce à des études technologiques spécifiques. La sévérité de ces tolérances a conduit à développer un procédé de réglage de la radiofréquence (RF) innovant et applicable à de nombreux types de cavités RF. Une maquette thermomécanique du drift tube linac (DTL) – cavité adaptée à l’accélération du faisceau issu du RFQ – a été conçue et testée avec succès au Cern en 2002.

La partie accélératrice « haute énergie » d’un linac peut être constituée de plusieurs tronçons contenant des cavités supraconductrices de forme elliptique dont les géométries ont été adaptées à différentes vitesses des protons (β = ν/c = 0,47, 0,65, 0,85). Le développement de cavités fonctionnant à 700 MHz porte essentiellement sur la réalisation et le test de cavités mono- et multicellulaires ainsi que sur tous les éléments qui s’y rapportent (système d’accord à froid, coupleurs …)
Les compétences acquises par les ingénieurs et techniciens du Dapnia ont permis de concevoir et de développer tous les composants du linac de l’avant-projet détaillé de Spiral 2, qui accélérera non seulement des protons mais aussi des ions légers. Ces faisceaux seront utilisés pour créer des noyaux excédentaires ou déficitaires en neutrons, donc loin de la vallée de stabilité, par la méthode Isol (Isotope Separation On Line). La direction du projet complet est du ressort du Dapnia

Accélérateurs d’électrons

Les accélérateurs d’électrons sont également l’objet de développements au Dapnia, en particulier pour le projet Tesla et les sources intenses de lumière.
Tesla est un projet de collisionneur linéaire e⁺e^- pour la physique des particules visant des énergies de l’ordre du TeV. La construction et l’exploitation de la maquette TTF (Tesla Test Facility), ont permis de vérifier les performances des différents composants et d’estimer de façon réaliste les coûts d’une telle machine. Les progrès accomplis en R&D ont d’ores et déjà permis de dépasser les objectifs prévus pour Tesla ; ils ont également étendu les applications de cette installation à la réalisation d’un laser à électrons libres dans le domaine de l’ultraviolet, puis des rayons X. Après la publication en mars 2001 du Technical Design Report qui décrit les aspects techniques et financiers du projet, les travaux au Dapnia concernent à présent l’amélioration du système de transport du faisceau vers le point d’interaction.
L’activité « sources de lumière » se concentre autour des sources de rayonnement synchrotron de 3e génération, avec les projets Soleil et Super-3HC. Le Dapnia s’est particulièrement investi dans la conception de cryomodules – ensembles de systèmes RF accélérateurs fonctionnant à très basse température –, qui permettront d’obtenir une meilleure stabilité des faisceaux à haute intensité. La technologie originale des cryomodules à cavités supraconductrices, développée pour le projet Soleil, a été utilisée pour améliorer deux sources de rayonnement synchrotron existantes, la source de lumière suisse de l’Institut Paul Sherrer (Villigen, Suisse) et la source d’Elettra (Trieste, Italie).
L’expertise acquise dans les sources du type laser à électrons libres avec l’obtention d’un effet Sase (Self Amplified Spontaneous Emission) sur TTF a permis au Dapnia de contribuer, à la fin de l’année 2003, à la proposition Arc-en-ciel (Accelerator-radiation complex for enhanced coherent intense extended light).

L’activité « sources de lumière » se concentre autour des sources de rayonnement synchrotron de 3^e génération, avec les projets Soleil et Super-3HC. Le Dapnia s’est particulièrement investi dans la conception de cryomodules – ensembles de systèmes RF accélérateurs fonctionnant à très basse température –, qui permettront d’obtenir une meilleure stabilité des faisceaux à haute intensité. La technologie originale des cryomodules à cavités supraconductrices, développée pour le projet Soleil, a été utilisée pour améliorer deux sources de rayonnement synchrotron existantes, la source de lumière suisse de l’Institut Paul Sherrer (Villigen, Suisse) et la source d’Elettra (Trieste, Italie).
L’expertise acquise dans les sources du type laser à électrons libres avec l’obtention d’un effet Sase (Self Amplified Spontaneous Emission) sur TTF a permis au Dapnia de contribuer, à la fin de l’année 2003, à la proposition Arc-en-ciel (Accelerator-radiation complex for enhanced coherent intense extended light).

Développements pour les accélérateurs

Chacun de ces projets nécessite de relever de nombreux défis, pour lesquels les équipes du Dapnia développent des actions de R&D spécifiques. Ces activités portent sur les sources d’ions, la dynamique des faisceaux de particules, la supraconductivité en radiofréquence et l’instrumentation pour les radiofréquences.
La source Silhi, développée dans le cadre du projet Iphi, a démontré l’efficacité des sources à résonance cyclotronique électronique pour produire des faisceaux intenses de protons. L’expérience ainsi acquise a permis le développement de deux nouvelles sources basées sur le même principe : la source de Spiral 2 et une source d’ions H^-.
Les défis à relever pour une modélisation fidèle de la dynamique des faisceaux sont divers. On citera la prise en compte de l'interaction avec le gaz résiduel, de l'interaction avec les interfaces solides ; s’y ajoutent la dynamique des plasmas des sources d'ions, l’optique des faisceaux en présence d'éléments électromagnétiques d'ordre élevé notamment d’hexapôles et d’octupôles, et la maîtrise de la formation du halo et des pertes de faisceaux dans le cadre de la maintenance des futurs accélérateurs de puissance. Sur un autre plan, il faut citer l'optimisation du coût des systèmes accélérateurs. Ces défis nécessitent la mise au point de modèles analytiques et le développement de méthodes numériques utilisant au mieux les ressources informatiques, comme le calcul distribué en grappe (cluster).

Une activité de R&D sur les cavités RF supraconductrices est menée pour comprendre l’origine physique des limitations de champ électrique accélérateur dans les cavités en niobium, et pour en déduire les traitements adéquats. Les deux critères principaux de performance des cavités accélératrices sont, d’une part, le champ accélérateur E_acc qui détermine la longueur de l’instrument et qui atteint actuellement 40 MV/m, et, d’autre part, le coefficient de surtension Q₀, actuellement inférieur à 10¹⁰, qui détermine la puissance dissipée et, en définitive, la consommation d’hélium liquide. Au cours de ces dernières années, les équipes du Dapnia ont montré que l’étuvage, en réduisant les dissipations à haut champ, était une étape indispensable pour l’obtention de gradients accélérateurs élevés.
Ces performances sont de toute façon limitées par le quench, transition de l’état supraconducteur à l’état conducteur à la suite d’une augmentation localisée de température ou de champ magnétique. Plusieurs voies sont explorées pour l’expliquer : la composition chimique de la surface, la morphologie de la surface, les joints de grains et l’homogénéité du matériau, le tout en fonction du traitement de surface effectué (électropolissage ou polissage chimique).
Les développements dans le domaine de l’instrumentation pour les accélérateurs concernent l’alimentation et l’électronique RF, les diagnostics sur faisceau et les boucles de régulation à compensation active piézoélectrique, ainsi que la conception et l’intégration des équipements essentiels des cavités, les coupleurs de puissance et les systèmes d’accord à froid, soumis à des contraintes thermiques et radiatives dues à l’environnement.