Service des Accélérateurs, de Cryogénie et de Magnétisme

Un accélérateur de protons à haute intensité est une source de faisceaux secondaires (neutrons, muons, neutrinos, noyaux radioactifs) qui ouvrent de nouveaux champs d'études et d'applications en recherche fondamentale et appliquée. La construction d’un injecteur de protons pour ces accélérateurs de future génération permettra de disposer de références conceptuelles et expérimentales pour les choix techniques particulièrement critiques pour la ligne de basse énergie. La construction du prototype d’injecteur de protons à haute intensité, Iphi, réalisé en collaboration avec l'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) du CNRS et le Cern, répond à ces objectifs.

Iphi est un injecteur de protons accélérant jusqu’à 3 MeV un faisceau continu de 100 mA. Il se compose  d'une source de protons, Silhi, et de sa ligne de transport à basse énergie (95 keV), d'une cavité accélératrice de type RFQ (quadripôle radiofréquence) portant l’énergie à 3 MeV et d'une ligne de diagnostics destinée à mesurer les caractéristiques principales du faisceau en sortie du RFQ.

La source d’ions Silhi

La source Silhi (Source d’ions légers à haute intensité) fonctionne depuis 1997 et produit des faisceaux de protons H+ et de deutérium D+. Elle sert de banc de test pour les démonstrations de période de production de longue durée d’un faisceau de protons de 100 mA à 95 keV. Lors de ces périodes de fonctionnement, le faisceau est utilisé pour tester de nouveaux diagnostics non interceptifs (profileur à ionisation de gaz résiduel) de faisceaux intenses. Elle constitue également une plateforme d’essai pour la mesure de rayonnements secondaires produits par des faisceaux de deutons.

Fabrication de la cavité accélératrice de type RFQ

La cavité accélératrice RFQ est l’élément essentiel de cet accélérateur. En effet, cette cavité résonante excitée par une onde radiofréquence (352 MHz) assure trois fonctions simultanément : le groupement du faisceau en paquets, son accélération et sa focalisation pour en minimiser les pertes. La contrepartie de ces performances exceptionnelles est une très grande difficulté technologique de fabrication.

La cavité est constituée de six tronçons d’un mètre chacun. Chaque tronçon est réalisé de façon unique en quatre pôles, dont le profil, modulé longitudinalement, doit être usiné avec une précision de +/- 20 micromètres. Des canaux de refroidissement sont percés sur la longueur avec une précision de positionnement de +/- 200 micromètres. Le contrôle de ces précisions se fait, lors des différentes étapes de fabrication, par des mesures radiofréquence sur un tronçon assemblé. Le matériau choisi est un cuivre ultra pur exempt d’oxygène, forgé à chaud en trois dimensions, puis stabilisé par un cycle thermique. Après la phase d’ébauche (cote + 1 mm), chaque pôle subit un nouveau cycle thermique sous vide à 600°C destiné à relâcher les contraintes mécaniques générées par l’outil de fraisage. À l’issue de l’usinage de finition, les quatre pôles sont assemblés par un premier brasage à 800°C dans un four sous vide. Une deuxième opération de brasage permet de rapporter l’ensemble des appendices nécessaires au fonctionnement (brides, piquages de pompage et piquages des pistons d’accord).

La fabrication des tronçons de série a débuté en 2004. L’usinage a été confié à la société Mécachrome et l’assemblage, dans un premier temps, à l’atelier de brasage du Cern. Les tronçons 2 et 3 ont été réalisés avec des défauts, fuite au vide pour le tronçon 2 et déplacement des pôles lors du brasage pour le tronçon 3, qui ont exigé de multiples actions correctives. Au terme de l’accord de collaboration avec le Cern, l’équipe Iphi a décidé de s’impliquer dans le brasage en association avec la société Bodycote. Cette nouvelle approche technologique a entraîné un partenariat avec deux industriels tout en définissant la part de chacun : usinage par Mécachrome et, après nettoyage par l’équipe CNRS d’Iphi, brasage par Bodycote, la définition mécanique se faisant en accord avec tous les partenaires. Dans cette nouvelle organisation la technique du brasage vertical a été réutilisée avec succès pour le brasage, réussi, du tronçon 6 et la réparation du tronçon 2. À l’été 2010, le CEA sera en possession de trois tronçons finis, les trois tronçons suivants étant prévus pour la fin de l’année 2010.

Alimentations de puissance radiofréquence

Les deux klystrons Thales Th2089 (K1 et K2), venant de l’ancien accélérateur LEP du Cern, ont été reconditionnés en puissance radiofréquence (RF). K1, dont la puissance nominale est de 1,1 MW, a été testé avec succès en mode pulsé jusqu’à 900 kW crête (300 ms, 1 Hz) avec la sortie du circulateur connectée sur un court-circuit, puis jusqu’à 800 kW en mode CW (continuous wave) avec la sortie du circulateur connectée sur une charge. K2 a été testé jusqu’à 1 MW en mode pulsé mais malheureusement une fissure au niveau du collecteur l’a rendu inutilisable. Un nouveau klystron sera prêté par le Cern mais, étant limité à 1,1 MW au lieu des 1,3 MW du précédent K2, le réseau de guides d’onde va être modifié pour alimenter la cavité RFQ par 4 entrées RF au lieu des trois prévues initialement.

Après modification de l’alimentation à haute tension (HT), le modulateur d’impulsion HT est complètement opérationnel pour la plateforme Supratech. Le klystron CPI 704 MHz (mode pulsé 1 MW crête, 2 ms, 50 Hz) est en utilisation de routine sur un ensemble constitué d’un coupleur et d’une cavité installé dans Cryholab. L’amplificateur 80 kW CW à 704 MHz utilisant un IOT (inductive output tube, tube électronique à grille) de Thales est réassemblé ; les tests de l’alimentation HT ont débuté. Le klystron Thales 1300 MHz (mode pulsé 1,8 MW crête, 1ms, 10 Hz) est positionné sur la plateforme.

Installation à Saclay

L’installation d’Iphi à Saclay dans les anciens halls de l’accélérateur Saturne a débuté en 2003 par l’assemblage de la source de protons et des protections biologiques. Les essais du système de refroidissement et des sources radiofréquence de puissance (klystrons provenant du Cern) ont commencé début 2008. Les infrastructures de sécurité (accès et détection de rayonnement) sont opérationnelles. La ligne des diagnostics pour caractériser le faisceau est assemblée et mise sous vide. Tous les aspects contrôle-commande sont validés. La mise en opération de l’injecteur interviendra en 2011.