Les premiers cryomodules installés dans le tunnel de l’accélérateur
12 cryomodules, consitutés chacun d'une cavité accélératrice en matériau supraconducteur et de son systéme de cryogénie, sont désormais en cours d’installation sur l’accélérateur linéaire de particules Spiral2 au Ganil (Caen).
Entre sprint et marathon, l’équipée constituée de 60 collaborateurs du SEDI, SACM et SIS, ont mené ce projet commencé en 2005, de sa conception à sa phase de qualification après assemblage. Sur la ligne d’arrivée, 12 cryomodules en tous points conformes au cahier des charges : champ accélérateur supérieur à 6.5 MV/m pour des pertes thermiques inférieures à 21.5W. Leur mise en en froid est prévue au premier semestre 2016, année de mise en service de Spiral2. Ce dernier permettra de produire des ions radioactifs accélérés, afin d’étudier la structure nucléaire des ions exotiques.
Contribution de l'Irfu à l'accélérateur
Le nouvel accélérateur d’ions lourds SPIRAL2 [1] en phase de construction et de test au laboratoire GANIL à Caen comporte une section accélératrice linéaire supraconductrice (LINAC) composée de deux familles de cryomodules : 12 cryomodules A à la charge de l’IRFU contenant chacun une seule cavité dont la géométrie est optimisée pour accélérer des particules dont la vitesse est environ égale à 7% de celle de la lumière ( β=0.07) et 7 cryomodules B à la charge de l’IPN Orsay contenant deux cavités optimisées à β=0.12. Les deux types de cavités sont en niobium massif, et sont intégrés dans des cryomodules pour pouvoir être opérées à la température de l’Hélium liquide (4.2K) [2].
Courbe de qualification des cavités β=0.07. Facteur de qualité en fonction du champ accélérateur.
Recette réussie d'un cryomodule
Les cavités accélératrices sont caractérisées par deux grandeurs physiques:
● le facteur de qualité proportionnel à l'inverse de la résistance de surface
● le champ accélérateur (MV/m)
Pour optimiser ces deux grandeurs, les cavités doivent subir plusieurs traitements. Après une longue phase de préparation (chimie et rinçage haute pression en salle blanche), les cavités ont été qualifiées en cryostat vertical et satisfont toutes aux spécifications, la principale étant de dépasser un champ accélérateur de 6.5 MV/m et un facteur de qualité supérieur à 3.5x108 pour un fonctionnement à 10 W de dissipations radio fréquence.
Ensuite, les cavités, après montage des coupleurs, sont intégrées en salle blanche dans les enceintes à vide des cryomodules. En sortie de salle blanche, la suite des opérations consiste à:
● positionner à quelques 1/10ème de mm les cavités sur l’axe faisceau,
● les équiper d’un système d’accord en fréquence à froid (permettant de corriger les variations de fréquence dues aux variations de pression du bain d’hélium).
● les équiper d’un écran thermique à 60K et d’un blindage magnétique contre le champ terrestre en Mu-Metal ® (alliage de nickel et de fer avec une haute perméabilité magnétique lui permettant de dévier les champs magnétiques statiques)
Après assemblage, les cryomodules sont transportés sur la plateforme SupraTech-Cryo/HF, où ils sont raccordés par l’intermédiaire d’une boîte à vannes au liquéfacteur d’Hélium et refroidis à 4K. Une fois en froid, les coupleurs et les cavités sont tout d’abord conditionnés par ondes radio-fréquence jusqu’à 10 kW de puissance. Ensuite, les pertes thermiques statiques (sans RF) et dynamiques (avec RF à 6.5 MV/m) sont mesurées en mesurant la perte de niveau d’Hélium dans le cryostat des cavités après fermeture de la vanne d’entrée. Pour les 12 cryomodules A, les pertes totales sont inférieures à la valeur de 21.5W imposée par GANIL. En dernier, la variation de fréquence de la cavité soumise à la déformation élastique du système d’accord à froid est mesurée, ainsi que l’hystérésis et la linéarité de ce système mécanique.
Cryomodule connecté à sa boîte à vannes en cours de tests RF sur la plateforme SupraTech-CryoHF
Une partie de l’équipe ayant contribué au projet devant les cryomodules prêts à être expédiés au GANIL. Au total, près de 60 personnes des services SACM, SEDI et SIS de l’IRFU ont participé au projet CMA Spiral2.
Une nouvelle vie commence au Ganil
Le dernier cryomodule a été qualifié sur SupraTech-Cryo/HF fin juin 2015, et 10 sur les 12 ont déjà été expédiés pour installation sur le LINAC au GANIL. A réception en surface au GANIL, il est procédé à une vérification du vide cavité et une mesure de sa fréquence pour écarter toute détérioration pendant le transport. Puis le cryomodule est passé sur un banc pour contrôle d’alignement, avant d’être descendu dans le tunnel pour installation sur le LINAC. Suite à son raccordement à sa boite à vannes, un test en pression est réalisé, et deux cryomodules adjacents sont connectés sous flux laminaire à une section chaude composée de deux quadripôles, d’un port de pompage et de diagnostics. La mise en froid des 19 cryomodules (A et B) est prévue au premier semestre 2016. La mise en service de l’accélérateur de Spiral 2 et de ses salles expérimentales (Phase 1 de SPIRAL2) est attendue pour 2016.
Répétition à Saclay de l’assemblage de la cavité radiofréquence RFQ de Spiral2
Contact: Claude Marchand
[1] Addendum au référentiel projet Spiral2, Note IRFU 2012-144.
[2] C. Marchand et al, “Performances of Spiral2 low and high beta cryomodules”, SRF2015, Whistler, Canada, September 2015, Contribution WEBA04.
Schéma d'ensemble
• Physique et technologie des accélérateurs Physique et technologie des aimants supraconducteurs
• Le Département d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique pour la Physique (DEDIP) • Le Département d'Ingénierie des Systèmes (DIS) • Le Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme (DACM)
• Laboratoire d’intégration et de développement des cavités et des cryomodules (LiDC2)
