• Les accélérateurs de particulesDéveloppements pour les accélérateurs du futur

• Le Service des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme 

• Laboratoire d’'études et de développements pour les accélérateurs (Léda) 

Instrumentation pour les accélérateurs de particules

L’instrumentation des accélérateurs désigne l’ensemble des sondes implantées dans un accélérateur et dont les signaux renseignent sur son état de fonctionnement et autorisent son réglage. Deux des plus importants champs d’application sont les diagnostics du faisceau, particulièrement les moniteurs de position et de profil, et les sondes radiofréquence de bas niveau pour le réglage du champ des cavités accélératrices alimentées par les sources de puissance radiofréquence. Les services SIS et Sédi de l’Irfu sont fortement impliqués dans l’instrumentation.

 

 

Baie VME test du système LLRF de Spiral 2, conçue et réalisée par le SIS.

Systèmes à radiofréquence de bas niveau (LLRF)

 

Les systèmes LLRF permettent le contrôle du champ RF des cavités accélératrices. Compensant l’effet de différentes perturbations comme les vibrations, les contraintes thermiques et la charge du faisceau de particules, ces dispositifs asservissent l’amplitude et la phase du champ RF (régulation rapide) et la fréquence de la cavité (régulation lente). L’électronique de ces systèmes, basée principalement sur le traitement numérique rapide des signaux RF provenant de la cavité à l’aide de cartes FPGA ou DSP, est développée par le SIS.

 

Le SACM développe des outils de simulation globaux permettant de décrire le fonctionnement des cavités RF avec ou sans faisceau, de modéliser les différents types de perturbations, de tenir compte des fonctions de transfert de l’électronique RF de puissance ou de bas niveau associée, et de représenter les modes de contrôle du champ accélérateur.

 

Le SACM a participé au développement d’un prototype pour l’accélérateur Soleil et collabore avec le SIS pour la réalisation des systèmes LLRF du projet Spiral 2 qui sont pris en charge par ce service.

 


BPM installé sur l’accélérateur Califes suivi par son correcteur.

Moniteurs de position de faisceau

 

L’alignement du faisceau et le contrôle de son temps de passage sont des opérations essentielles pour les accélérateurs de particules. Deux réalisations de moniteurs de position (BPM), basées sur des cavités radiofréquence, sont en cours de développement au SACM. Le principe est le suivant : le faisceau passant à travers la cavité excite des modes électromagnétiques et engendre des signaux sur les 4 antennes montées à 90° sur la périphérie de la cavité. Ces signaux, traités par une électronique dédiée, donnent une information sur la position, le temps de passage et l’intensité du faisceau.

 

Pour le projet E-XFel, le SACM est responsable de l'étude, de la réalisation et de la mise en place de la cavité, des antennes et de l’électronique analogique de 31 moniteurs de position (dits BPM ré-entrants) qui seront intégrés dans les cryomodules accélérateurs. D’une longueur de 170 mm pour une ouverture de 78 mm de diamètre, ils seront assemblés aux quadripôles en salle blanche à Desy puis envoyés sur le site de Saclay pour l’intégration avec le train de cavités. Ces moniteurs doivent respecter les conditions de propreté et de vide spécifiques à l’environnement supraconducteur. Un BPM ré-entrant de même conception a déjà été installé sur le linac Flash à Hambourg et a démontré une résolution spatiale de 4 µm et une résolution temporelle de 40 ns.

 

 

 

Moniteur de position de faisceau en test sur le module prototype PXFel2 et connecté à un quadripôle froid.

Un autre type de BPM ré-entrant a été développé pour le faisceau sonde Califes. Six moniteurs d’ouverture Ø = 18 mm sont installés sur la ligne de transport. Ils peuvent fonctionner dans les différents modes opérationnels de la machine, c'est-à-dire en mono- ou multi-paquets. L’électronique associée est composée d’une électronique analogique avec un multiplexeur pour contrôler les 6 moniteurs et après un traitement des signaux, l’information est transmise au système de contrôle.

 

Un autre moniteur dit « BPM bouton » basé sur une conception différente est en cours d’étude pour le linac du projet Fair.

 

 

Profil transverse du faisceau total et des H+ sur Silhi par la méthode du décalage Doppler avec un endoscope Fujikura de 2 m de longueur et un monochromateur.

Diagnostics optiques

 

La puissance par unité de surface des faisceaux d'ions dans les accélérateurs de haute intensité nécessite l'utilisation de diagnostics non-interceptifs. L’analyse spectrale de la lumière émise par l'interaction du faisceau avec le gaz résiduel permet de déterminer le profil transverse, l’intensité et la position du faisceau. L'utilisation de caméras de type CID (Charge injection device) endurcies aux radiations permet cette analyse optique dans un régime à haut flux de neutrons et gammas. Une collaboration avec le Sédi est établie dans ce domaine.

 

Comme démontré avec la source Silhi, la mesure des différentes espèces H+, H2+ et H3+, avec leur profil, est obtenue par l’analyse du décalage Doppler des raies de la série de Balmer. Afin de protéger le monochromateur, sensible aux rayonnements, les images sont transportées jusqu’à celui-ci avec un endoscope multifibre endurci aux radiations. Ces développements sont une avancée dans le domaine de la caractérisation de faisceaux intenses dans un milieu à haut flux de radiations.

 

 

maj : 17-12-2013 (2891)

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