Département de Physique des Particules

Grâce à l’expertise développée par le CEA lors des projets Spiral2 et Ifmif, le CEA signe en 2014 un contrat avec le centre de recherche nucléaire de Soreq (SNRC, Israël) pour la réalisation d’un accélérateur linéaire supraconducteur nommé Saraf (Soreq Applied Research Accelerator Facility). Il s’agit de construire un accélérateur pouvant fournir des faisceaux de protons et de deutons d’énergie variable entre 5 et 40 MeV avec une intensité allant jusqu’à 5 mA. Cet équipement sera un outil important pour la recherche fondamentale notamment en physique nucléaire, en caractérisation de matériaux grâce aux neutrons ou production de radio-isotopes médicaux. Le CEA est responsable de la conception, la fabrication et la qualification de 5 sous-ensembles : la MEBT et les 4 cryomodules de l’accélérateur linéaire. En 2023, le CEA a qualifié la MEBT livrée en 2020 et a livré à Soreq le premier cryomodule.

PIP-II (Proton Improvement Plan-II) est le premier accélérateur de particules construit aux États-Unis avec d'importantes contributions de partenaires internationaux dont le CEA qui apporte son expertise dans le domaine des cavités radiofréquences supraconductrices et des technologies associées. Le CEA est impliqué depuis 2018 dans ce projet avec une importante contribution sur la section accélératrice supraconductrice LB650, comprenant les études de conception, la fabrication et la qualification de 10 cryomodules (regroupant 4 cavités supraconductrices), soit 1 cryomodule de pré-production et les 9 cryomodules de l’accélérateur. Une étape importante du projet au CEA a été franchie en avril 2023, avec la revue finale de conception du cryomodule LB650, validant les 5 ans de travail de conception. Le projet rentre maintenant dans la phase de construction du cryomodule de pré-production.

Le GANIL, Grand Accélérateur National d’Ions Lourds, l’un des grands laboratoires internationaux pour la recherche avec des faisceaux d’ions a obtenu le 23 juin 2023 le permis de construire de la future salle expérimentale DESIR financée en partie par un Equipex. L’obtention de ce permis autorise le lancement des travaux de construction avec en premier lieu des opérations de terrassements en profondeur dès juillet 2023 pour un objectif de réception du bâtiment prévue au printemps 2025. Les premières expériences sont attendues à l’horizon 2027 afin d’offrir aux communautés de la physique nucléaire, de la physique des interactions fondamentales et de l’astrophysique nucléaire une plateforme de recherche unique et compétitive à l’échelle internationale.

La récente mise à jour de la stratégie européenne pour la physique des particules a recommandé une étude de faisabilité pour la future génération de collisionneur. Dans ce cadre, le « Laboratory Directors Group », dont l’Irfu fait partie, a été mandaté par le conseil du CERN pour superviser l’élaboration d’une feuille de route sur la R&D des accélérateurs. Un des objectifs de cette feuille de route est le développement des technologies permettant la fabrication d’aimants supraconducteurs à haut champ, essentiels pour le futur collisionneur : c’est le projet HFM (High Field Magnets).

Un an et demi après la livraison du cryomodule prototype (CM00) à ESS, le premier cryomodule medium beta de série (CM01) vient à son tour d’arriver sur le site d’ESS. Celui-ci a quitté le CEA le 22 septembre 2020 pour un voyage de deux jours vers Lund en Suède. Les équipes de l’Irfu avaient au préalable validé les performances RF et cryogéniques de ce cryomodule. Il sera à nouveau testé sur le banc de test de ESS avant d’intégrer sa position finale dans le tunnel de l’accélérateur. C’est une première étape. A partir de l’année prochaine, ESS recevra ainsi en moyenne un cryomodule par mois pendant 3 ans.

L’injecteur de protons du FAIR proton Linac qui doit être installé au GSI en 2020 est en phase de commissioning à Saclay depuis fin 2017. L’objectif était de caractériser le faisceau de protons qui sera injecté dans l’étage d’accélération suivant qui est un RFQ de type « Ladder-RFQ » actuellement en construction à l’université de Frankfort. L’injecteur a pu produire un faisceau d’une intensité totale de 140 mA avec 120 mA de protons transportés en fin de ligne basse énergie. L'émittance du faisceau mesurée après le cône d’entrée du RFQ est meilleure que les spécifications requises avec une valeur normalisée de 0.24 pi.mm.mrad Norm. Le cahier des charges est donc respecté et l’objectif est atteint pour l’Irfu.  L’injecteur est maintenant en phase de démontage avant envoi à GSI.

Le projet EUPRAXIA vient de terminer fin 2019 sa phase d'étude de conception avec la délivrance du Rapport de Design Conceptuel (CDR). L'implication forte de l'IRFU, notamment dans le domaine de physique du faisceau de particules, a permis de montrer que des solutions existent pour la réalisation d'un accélérateur à champ de sillage dans les plasmas, avec une qualité de faisceau approchant celle des accélérateurs conventionnels.
L'étude détaillée des mécanismes physiques a pu guider efficacement les simulations numériques, chacune durant plus de 10h sur 2048 nœuds de calcul, pour démontrer que tous les objectifs du faisceau à la sortie peuvent être atteints avec un plasma de longueur 30 cm, de densité électronique 1,10¹⁷ cm^-3, et un laser de puissance 400 térawatts, d'énergie 50 joules. Des méthodes innovantes ont été mises en œuvre pour pouvoir, sans dégrader le faisceau, l'accélérer et le conduire à travers les deux étages plasma jusqu'à l'utilisateur final. Une analyse des tolérances aux erreurs a permis d'identifier les composants les plus sensibles auxquels un soin particulier devrait être apporté lors de la fabrication et l'installation.

Après plus de 5 ans de développement dont 6 mois de travail d’intégration depuis les 12000 pièces détachées jusqu’à un cryomodule complet, le CEA-Irfu vient de valider les premières mesures de ce système complexe cryogénique au champ accélérateur ESS nominal de 17 MeV/m dans les 4 cavités accélératrices supraconductrices le composant.

Aux limites de technologies, c’est la première fois qu’un champ accélérateur aussi intense, maintenu sur des durées de pulse aussi longues et avec une puissance RF aussi importante, est mesuré dans des cavités supraconductrices installées dans un cryomodule.

Cette étape clé permet d’aborder la phase production des 30 cryomodules que la France doit livrer à cette infrastructure de recherche ESS, future source à neutrons opérationnel en 2023 en Suède. Cette intégration en série débutera dès le mois de janvier 2019 sous la maitrise d’œuvre de l’Irfu avec la contribution de l’entreprise B&S France et devra s’achever en 2022.

Début août 2017, le dipôle FRESCA2, conçu et réalisé en collaboration entre l’Irfu et le CERN, a atteint le champ de 13,3 T au centre de l’ouverture de 100 mm lors des tests effectués dans la station d’essai HFM au CERN. C’est un nouveau record mondial, avec une énergie stockée de 3 MJ/m et des forces mécaniques jamais atteintes dans ce type d’aimant. Cet électroaimant a été étudié pour donner une homogénéité de champ magnétique de l’ordre du pourcent sur une longueur de 540 mm.

Lors d’un premier refroidissement à 1,9 K, l’aimant dipôle FRESCA2b a atteint un champ de 13,04 T à 10,6 kA après deux quenchs [1] et ce champ a été maintenu dans l’aimant pendant une heure. Si seulement deux essais ont pu être réalisés à 4,5 K, compte-tenu du temps disponible, ils ont montré deux quenchs à des valeurs très proches du champ nominal (12,98 T). Après un cycle thermique (remontée à la température de 280 K et deuxième refroidissement à 1,9 K), l’aimant a atteint le champ de 13,3 T à 10,85 kA sans quench additionnel. Cette valeur correspond à 71 % de la valeur maximale atteignable sur la ligne de charge de l’aimant. A 13 T, l’aimant a montré un fonctionnement stable pendant quatre heures. La station de test est à présent en maintenance, et les tests devraient reprendre en octobre pour explorer les limites d’opération du nouvel aimant.

Les équipes du DACM et du DIS ont réalisé un champ magnétique record de 4,52 teslas au centre d’un dipôle prototype bobiné avec un matériau supraconducteur à haute température critique lors d’essais en bain d’hélium liquide. C'est 1 tesla de plus que le dernier record connu pour un dipôle du même type.

Ce dipôle est la première étape vers l’utilisation des supraconducteurs à haute température critique (HTS) pour les aimants d’accélérateurs. Il a comme objectif de démontrer l’utilisation possible d'un ruban céramique HTS de type REBCO pour générer un champ additionnel de 5 T à 4,2 K dans le champ de 13 T du dipôle Nb₃Sn FRESCA2, et obtenir un champ total de 18 T.

La conception de cet aimant a commencé dans le cadre du programme européen EuCARD (European Coordination for Accelerator Research and Development), en collaboration avec le CNRS de Grenoble, l’INFN de Milan, l’Université de Tampere et le CERN. Ella a été poursuivie et complétée dans le cadre du premier contrat de collaboration CERN/CEA sur les aimants supraconducteurs pour les accélérateurs du futur. Le design de l’aimant a ainsi pu être amélioré et le prototype réalisé par les agents du Laboratoire d’Etudes des Aimants Supraconducteurs (LEAS) à Saclay de 2014 à 2016.

Les tests de l’aimant ont débuté en avril 2017, dans la station d’essai Séjos du Laboratoire de Cryogénie et Stations d’Essais (LCSE). Une première campagne d’expériences à 77 K, en azote gaz, puis en bain d’azote liquide, a permis de vérifier les performances du câble supraconducteur tout en restant à des valeurs réduites d’énergie stockée. Au delà du courant nominal de 295 A, ces essais à 77 K ont été poussés jusqu'à 320 A.

Les tests ont repris après le refroidissement de l’aimant à une température proche de celle de l’hélium liquide. A cette température, le courant nominal nécessaire pour produire un champ central de 5 T est de 2800 A. Les performances de l’aimant ont d’abord été testées en hélium gaz, conditions pour lesquelles une transition de l’aimant est plus facilement détectable. Le courant de l’aimant a été progressivement augmenté jusqu’à une valeur maximale de 2500 A. A cette valeur, une induction magnétique de 4,3 T a été mesurée par les sondes de hall placées au centre de l’aimant.

Les tests se sont poursuivis en bain d’hélium liquide à 4,2 K. Le courant dans l’aimant a été limité à 2600 A valeur maximale de l’alimentation de puissance utilisée. Aucun signe de transition des rubans supraconducteurs n’a été détecté. L’induction magnétique mesurée au centre de l’aimant était de 4,52 T.

L’ajout d’un nouveau module de puissance, disponible mi-septembre, doit permettre d’atteindre voire dépasser le courant nominal de 2800 A.

Ces tests préliminaires permettront aussi de valider l’ensemble des codes développés dans le cadre des études de l’aimant et de la R&D HTS, notamment pour les problèmes intrinsèques aux supraconducteurs HTS (quench de l’aimant, magnétisation, courants d’écrantages).