Fig. 1 : Cryomodules de l’accélérateur linéaire supraconducteur E-Xfel (en jaune) installés dans le tunnel.
Le projet européen E-Xfel (European X-ray Free Electron Laser) vient de passer un cap important : la mise en place de l’ensemble des modules servant à l’accélération des électrons et les premiers tests de fonctionnement. C’est l’aboutissement de 10 années de travail fourni par l’Irfu qui a livré 103 cryomodules après leur intégration au sein de l’infrastructure dédiée du Village XFEL à Saclay. Ces derniers ont passé les tests affichant une performance excellente. L’ensemble de l’accélérateur d’un kilomètre et demi est maintenant installé et prêt à fonctionner à sa température opérationnelle de 2K. Un premier faisceau d’électrons a été accéléré sur un tronçon des 17 premiers cryomodules puis a parcouru l’ensemble de l’accélérateur linéaire.
Le plus grand accélérateur linéaire au monde, assemblé par l’Irfu
L’Irfu participe depuis 2007 au grand projet européen E-Xfel (European X-ray Free Electron Laser), la source de lumière laser de 4ème génération à Hambourg, sous la forme d’une contribution en nature de la France à la construction de l’accélérateur linéaire supraconducteur. Le CEA a été chargé de l’intégration des 103 cryomodules comprenant chacun une chaîne de 8 cavités RF supraconductrices. Une intégration effectuée à la cadence d’un cryomodule par semaine par un opérateur industriel Alsyom sous la responsabilité de l’Irfu sur un plateau technique construit et mis à sa disposition en 2012 au Synergium. Plus d’un million de pièces ont ainsi été manipulées par les équipes d’Alsyom, allant de la simple rondelle à l’enceinte à vide, en passant par les cavités, les coupleurs de puissance, les systèmes d’accord, etc. Le dernier cryomodule a été expédié le 24 juillet 2016 et l’installation ainsi que la mise en froid de 97 cryomodules (les 4 derniers étant gardés pour une installation ultérieure) est terminée depuis décembre 2016. Le tunnel de près de 3 km de long est maintenant fermé et l’accélérateur prêt à fonctionner.
film de 3 min sur l'intégration des 103 cryomodules, copyright Francis Rhodes, juin 2016
Fig. 2 : schéma d’implantation de l’accélérateur. L’Irfu a participé à la construction de l’accélérateur linéaire (rectangle bleu) où chaque carré jaune représente un cryomodule.
Des tests de performances positifs
Toutes les cavités supraconductrices ont été testées avant leur mise à disposition à l’Irfu. Leur raccordement en une chaîne de 8 cavités réalisé dans la salle blanche ISO4 du Synergium nécessite de les ouvrir à l’air ambiant ce qui introduit un risque de contamination particulaire de la surface métallique des cavités. La conséquence en serait une dégradation des champs accélérateurs associée à une émission de rayons X, entraînant une baisse des performances globales de la chaîne accélératrice. Aussi, chaque cryomodule a été testé à DESY-Hambourg après leur intégration au CEA-Saclay : leurs performances sont représentées dans le graphique de la figure 3.
Fig. 3 : performance de chaque cryomodule intégré à l’Irfu. La ligne bleue représente les performances attendues suite à l’analyse des 8 cavités qui composent chaque cryomodule. La ligne de tendance rouge souligne le progrès des performances résultant de l’amélioration des méthodes d’intégration.
L’analyse des performances montre que la progression du savoir-faire, unique au monde, de l’Institut. Des performances surprenantes ont en outre été observées avec des cryomodules dépassant les prédictions, c’est-à-dire au-dessus de la ligne bleue. Pour certains d’entre eux, les cavités sont en effet revenues plus propres (c’est-à-dire moins émissives) après leur intégration.
Le travail de l’Irfu arrive à sa fin et ce bilan de performance conclut de façon positive le travail de nos équipes.
Un premier test faisceau encourageant
La mise en froid du linac à 2 K, réussie fin 2016, a permis d’effectuer en début d’année 2017 le premier test d’accélération des électrons dans les dix-sept premiers cryomodules résultant en une énergie mesurée de 2,4 GeV en, puis une transmission complète du faisceau jusqu’à la fin de l’accélérateur.
Fig 4 : énergie des électrons en fonction des cryomodules. L’énergie nominale serait obtenue vers le 84ème module.
Après cette première étape, les scientifiques vont pouvoir continuer la mise en service jusqu’à obtenir de la lumière au bout du tunnel, attendue au printemps 2017. Des résultats très encourageants pour le moment, puisqu’il pourrait être possible d’atteindre 20 GeV en fin d’accélération au lieu de 17,5 GeV comme prévu initialement.
Contact: Olivier Napoly
• Physique et technologie des accélérateurs › Modules accélérateurs résistifs et supraconducteurs
• Le Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme (DACM)
• Laboratoire d’intégration et de développement des cavités et des cryomodules (LiDC2)
