Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Direction de la recherche fondamentale

15 décembre 2015

Spiral2: Le RFQ (Radio Frequency Quadrupole) accélère son premier faisceau

Premiers profils transverses du faisceau de proton observés à la sortie du RFQ

Le 3 Décembre 2015 à 9H00, le RFQ de l’accélérateur Spiral2 a accéléré son premier faisceau de protons à l’énergie nominal de 0.75 MeV. Cet événement marque l’aboutissement de longues années d’études, de développements et de tests. Les lots de travaux Irfu étaient au cœur de cette réussite: depuis la source de deutons et protons, au contrôle-commande et mécanique des lignes faisceaux après la source, le RFQ, et l'électronique Low level RF permettant de réguler les champs accélérateurs dans les cavités et la fréquence de la machine.

Dans les mois à venir, les tests de qualification du RFQ continuent en protons et deutons. Puis ce sera le tour des ions plus lourds (hélium, oxygène, nickel, etc.) d'être accélérés. Ensuite les faisceaux seront injectés dans la suite de l’accélérateur composée de cavités supraconductrices fournies par l’Irfu et l’IPNO. La mise en service de l’accélérateur de Spiral 2 et de ses salles expérimentales est attendue pour 2017.

Diagnostics du faisceau en direct

A peine quelques heures plus tard, ce sont les 5 mA de courant nominal qui étaient injectés avec une transmission proche des 100% dans les conditions de réglage attendues, démontrant ainsi la pertinence de l’ensemble de nos choix techniques et la qualité de la conception et de la réalisation du RFQ ainsi que de toutes les servitudes et équipements associées.

Enfin, la courbe de transmission du faisceau en fonction de la tension appliquée aux lames du RFQ a été mesurée. L’accord observé permet de valider d’une part le design géométrique des lames du RFQ et d'autre part les procédures complexes de réglage de la tension mises en œuvre par les équipes de l’Irfu. Elle apporte également une nouvelle preuve expérimentale de la précision et de la prédictivité des codes de simulation développés au SACM.

à gauche: Le courant de 5 mA de protons mesuré respectivement à l’entrée et à la sortie du RFQ. La courbe orange correspondante au courant d’entrée est totalement cachée par celle de la sortie en violet montrant ainsi une transmission de 100%. à droite: Courbe dite de « Kilpatrick » permettant de comparer le comportement du RFQ perdit par les codes de simulation aux résultats expérimentaux.

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Film de 35 secondes réalisé par Philippe Galdemard, retraçant les étapes d’assemblage et de montage du RFQ dans le tunnel de l’accélérateur Spiral2 sur plusieurs mois.

Rôle d’une cavité accélératrice RFQ

Le RFQ (Radio Frequency Quadrupole) est une structure commune et essentielle à tous les injecteurs d’accélérateur de haute intensité. Cette cavité en cuivre pur est placée à la sortie des lignes « basse énergie » qui conduisent les faisceaux continus issus des sources de particules jusqu’à elle. Son rôle est de regrouper les particules en paquets (88 millions de paquets par seconde), tout en commençant à les accélérer jusqu’à 0.75 MeV.A (et pour une intensité allant jusqu’à 5 mA), afin de pouvoir ensuite les injecter dans l’accélérateur linéaire supraconducteur.

La cavité RFQ est composée de cinq tronçons de cuivre de 1 m de longueur, et pesant 1,6 tonnes chacun. La puissance RF installée nécessaire à son fonctionnement est de 240 kW en continu. La thermalisation de la cavité est assurée par une circulation complexe d’eau à température régulée. La régulation du champ accélérateur est quant à elle assurée par un système d’asservissement, le LLRF conçu et fourni par l’Irfu.

Le RFQ complétement assemblé dans le tunnel du linac au Ganil.

© Patrice Lecomte/GANIL
Une partie des équipes de l’Irfu, du Ganil et de l’IPNO présente au poste de commande de l’accélérateur Spiral2 lors du démarrage du commissioning du RFQ.

Un défi technologique

L’Irfu avait en charge les études, la réalisation, le montage et la mise en service au GANIL de cette cavité accélératrice de type RFQ. Les défis à relever étaient multiples est principalement liés aux tolérances applicables sur l’ensemble des grandeurs physiques de la cavité. Ainsi, pour ne citer que les principales, les précisions mécaniques d’usinage étaient de 10 µm, celles d’assemblage de 50 µm. La précision et la stabilisation du champ électrique devait être assurée mieux qu’au %. La régulation thermique de l’ensemble de la structure devait être de l’ordre du degré. La transmission du faisceau de particules devait être proche de 100 %, avec un vide maintenu autour de 10^-7 mbar.

L’ensemble des compétences de l'institut a mené l’ensemble des études nécessaires à la conception et la réalisation de cette structure accélératrice et fourni la plupart des lots techniques indispensables au fonctionnement de la cavité tel que le système de refroidissement, le LLRF, et le contrôle commande.

L’aventure continue

Une étape importante dans l’avancée du projet a été franchie avec brio démontrant le bon fonctionnement de cet équipement. De plus, la rapidité inattendue des résultats obtenus, conformes à nos attentes, nous rend confiant pour la suite des opérations de commissioning du RFQ. Cependant les prochaines étapes qui s’annoncent seront cruciales. En effet, le cycle utile du faisceau sera progressivement augmenté de 1/1000 au continu passant ainsi la puissance faisceau extraite de 3 W à 3kW. Les protons seront remplacés par des deutons augmentant la puissance faisceau à 7 kW. Puis la tension du RFQ actuellement de 55 kV sera augmentée aux 113 kV permettant de transporter des ions lourds, quadruplant la puissance RF dissipée dans le RFQ. Cette dernière étape validant le RFQ engagera la procédure de transmission de responsabilité vers le Ganil. Dans les mois à venir, d'autres ions seront accélérés (hélium, oxygène, nickel, etc.), l’objectif étant de qualifier les différents faisceaux attendus à la sortie du RFQ. A l’issue de cette période qui devrait s’étaler sur les 6 prochains mois, les faisceaux devraient finalement être injectés dans la suite de l’accélérateur composé de 2 familles de cavités supraconductrices de type QWR, lots respectivement fournis par l’Irfu et l’IPNO. 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 2017.

Contact: Didier Uriot

Schéma de l’accélérateur linéaire de Spiral2. Les faisceaux des sources d’ions lourds et protons/deutons sont injectés dans le RFQ, puis la LME (ligne moyenne énergie) met les faisceaux en forme pour être injectés et accélérés dans les cryomodules de type A puis B pour atteindre jusqu’à 40 MeV.

#3688 - Màj : 19/12/2015

• 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)