Les premiers cryomodules installés dans le tunnel de l'accélérateur
Dans le cadre du projet E-XFEL (European X-ray Free Electron Laser) , l'Irfu participe à la construction d'un accélérateur supraconducteur en Allemagne (laboratoire DESY) en intégrant et testant les cryomodules. Le cap de 60 cryomodules, sur un total de 103, a été franchi le 26 août 2015 grâce à une cadence d’intégration de 4 jours par module. L‘expédition du 103ème cryomodule est prévue fin avril 2016. Le délai est respecté et les performances des modules sont excellentes: sur les 55 modules testés, le gradient accélérateur atteint en moyenne 27,4 MV/m, soit 16% de plus que la spécification. 33 cryomodules, sur un total de 101, sont déjà installés dans le tunnel de l’accélérateur linéaire à électrons de 1,5 km de long.
Le projet:
Le projet E-XFEL [1] est une source de lumière dite de 4ème génération qui produira des flash-laser extrêmement brillants (~ 1033 photons/s/mm2/mrad2) et ultra-courts (~100 fs) de rayons X jusqu’à 1 Å de longueur d’onde. Le but est de micro-photographier des processus physiques, chimiques ou biologiques afin d’en révéler la cinétique avec une exposition lumineuse jamais atteinte.
A la base de cet instrument se trouve un accélérateur linéaire supraconducteur à électrons de 17,5 GeV et 1,5 km de long dont la construction est prise en charge par un consortium d’instituts européens, basés principalement en Allemagne (DESY), France (CEA, CNRS), Italie (INFN), Espagne (CIEMAT), Suisse (PSI), Pologne (NCBJ) et Russie (BINP, IHEP). Sa mise en service est prévue en 2016 et la fourniture des premiers faisceaux pour utilisateurs en 2017.
L'intégration:
Cet accélérateur utilisera 808 cavités supraconductrices RF (1,3 GHz) groupées, au sein d’un cryomodule de 12 m de long, en trains de huit cavités suivies d’un quadripôle et d’un moniteur de position, refroidis à l’Hélium liquide à 2K. Les 101[2] cryomodules identiques de l’accélérateur sont intégrés à Saclay sous la responsabilité du CEA [3] par l’opérateur industriel Alsyom sur le plateau technique d’assemblage, appelé ‘Village XFEL’, composé d’une chaîne de 7 stations de montage successives, pour la plupart doublées.
train de cavités du cryomodule XM-3 en salle blanche ISO4
plan du Village XFEL incluant la chaîne des 7 aires successives d’intégration des cryomodules, dont les deux premières en salle blanche ISO4
film de 3 min sur l'intégration des 103 cryomodules, copyright Francis Rhodes
transfert de la masse froide sur l’enfourneur avant roulage de l’enceinte à vide (en jaune)
Pour contenir la construction de l’accélérateur dans une durée de l’ordre de 3 ans, DESY, le CEA et les autres laboratoires fournisseurs de composants accélérateur ont fixé à un cryomodule par semaine la cadence de réalisation tout au long de la chaîne de production, de la fabrication des composants jusqu’à l’installation dans le tunnel, en passant par l’intégration à Saclay et les tests à DESY. Afin de récupérer des retards dans la production de composants essentiels tels que les cavités et les coupleurs, le projet s’est fixé pour objectif d’atteindre la cadence de production de 4 jours. En conséquence, l’intégration de chaque cryomodule ne doit pas dépasser 4 jours sur chaque station de travail, et l’intégration être complète en moins de 28 jours. Cet objectif a été atteint en janvier 2015 et maintenu jusqu’à présent. Grâce à cette productivité, le 60ème cryomodule a pu être expédié le 26 août 2015 dans un calendrier qui prévoit l‘expédition du 103ème à la fin avril 2016.
Les tests:
Bien que tous les cryomodules aient atteint ou dépassé les spécifications en terme de champ accélérateur (23,6 MV/m), les cryomodules de la deuxième et troisième décades ont été décevants avec des performances de cavités dégradées par rapport à leur test en cryostat de qualification. A la suite d’un audit mené par le CEA pendant le montage de XM26, et plus particulièrement en salle blanche, les performances des modules suivants (soit XM26 précédant XM36 et les suivants) sont excellentes, plusieurs modules atteignant le champ accélérateur moyen de 30 MV/m alors qu’une règle visant à protéger le système de distribution RF pendant les tests, limite à 31 MV/m le champ accélérateur dans chaque cavité.
Performance des cryomodules en champ accélérateur moyen (triangle vert) en comparaison avec la performance prédite par les tests des cavités individuelles (carré brun). Il faut noter que XM45 a été durement affecté par une panne électrique survenue pendant son intégration en salle blanche.
Contact: Olivier Napoly
[1] E-XFEL signifie ‘European X-ray Free Electron Laser’: le processus Laser est celui de “l’émission spontanée auto-amplifiée” provoquée par des paquets d’électrons de haute énergie (17,5 GeV) et de compacité spatiale extrême, se divisant en micro-paquets sur les nœuds du rayonnement monochromatique colinéaire crée à travers des onduleurs magnétiques, et ainsi rayonnant de façon cohérente comme une série de charges macroscopiques.
[2]L’accélérateur comprendra 101 cryomodules : 1 déjà installé dans le bâtiment injecteur et 100 en cours d’installation dans le tunnel. La production des 103 cryomodules inclut 3 modules de pré-séries et 100 modules de séries.
[3] L’équipe CEA d’intégration des cryomodules XFEL est composée de Stéphane Berry, Cyril Boulch, Yves Gasser, Christophe Servouin, Thierry Vacher et Bernard Visentin pour l’intégration en salles blanches, de Jean-Pierre Charrier, Michel Fontaine, Yannick Le Noah, Catherine Madec, Gilles Monnereau, Jean-Luc Perrin, Dominique Roudier et Claire Simon pour l’intégration hors salle blanche, et d’Alain Cataldi, Patrice Charon, Christelle Cloué, Pascal Contrepois, Olivier Napoly, Thierry Trublet et Sylvie Régnaud pour la coordination projet, infrastructure, qualité et suivi industriel.
• Physique et technologie des accélérateurs › Modules accélérateurs résistifs et supraconducteurs
• Le Département d'Ingénierie des Systèmes (DIS) • Le Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme (DACM)
