Cavité accélératrice supraconductrice elliptique à 704 MHz. Ce type de cavité de β = 0,5 (vitesse relative des protons par rapport à celle de la lumière) est particulièrement adapté pour couvrir le domaine d’énergie autour de 100 à 200 MeV.
Dans le cadre du programme européen Care (Coordinated accelerator research in Europe), le SACM participe à un développement axé sur les accélérateurs pulsés à protons de forte intensité, Hippi (High intensity pulsed proton injector). Au travers de la recherche et du développement nécessaires pour ce type d’accélérateur, dix instituts européens coordonnent leurs efforts dans le but d’apporter des améliorations à de grandes installations européennes du Cern à Genève, du Rutherford Appleton Laboratory et du GSI à Darmstad. L’objectif est d’accroître les flux de protons et de neutrinos pour les futures expériences de physique.
Une partie importante du programme Care/Hippi est axée sur le développement de structures accélératrices supraconductrices - particulièrement efficaces pour l’accélération de faisceaux intenses à fort cycle utile - opérant dans la gamme d’énergie 100-200 MeV et atteignant des gradients accélérateurs supérieurs à 7 MV/m avec des facteurs de surtension de 1010.
Le SACM est un acteur majeur de ce programme, puisqu’il a la charge de fabriquer et tester des prototypes de cavités supraconductrices, de développer et de conditionner des coupleurs de forte puissance, et d’installer et rendre opérationnelle une station d’essais composée du cryostat horizontal Cryholab et d’une source de puissance radiofréquence à 704 MHz de 1 MW crête
Coupleur de puissance de 1 MW pulsé pour les linacs supraconducteurs à protons. Les principaux éléments constituant le coupleur sont, de droite à gauche du schéma, la transition entre le guide d’onde et le coaxial, le coaxial, la fenêtre et la gaine refroidie.
Fenêtre du coupleur de puissance de 1 MW. La fenêtre en alumine assure la séparation entre l’ultravide de la cavité et l’air ambiant.
Cavités supraconductrices à 704 MHz
Plusieurs types de cavités supraconductrices existent, le choix se faisant en considérant la particule à accélérer et son énergie. Pour le cas particulier des linacs de 100-200 MeV, les protons ont une vitesse relative par rapport à la célérité de la lumière, β, qui varie entre 0,4 et 0,6. Les cavités elliptiques de β égal à 0,5 sont particulièrement adaptées pour couvrir ce domaine d’énergie. Toutefois, leur fonctionnement en mode pulsé peut être assez délicat du fait des forces de pression électromagnétique qui s’exercent sur les parois et, en conséquence, modifient la fréquence de la cavité. Ce phénomène est d’autant plus important que le niveau de champ est élevé et peut empêcher l’accélération correcte du faisceau.
Afin de dépasser cette limitation, le SACM a conçu, étudié et réalisé une cavité supraconductrice à 704 MHz de type elliptique susceptible d’atteindre des champs accélérateurs élevés (après optimisation des champs de surface et du rendement d’accélération) tout en maîtrisant ses variations de fréquence grâce à un double système d’anneaux rigidificateurs.
Développement de coupleurs de puissance à 704 MHz
Pour accélérer le faisceau de protons (plusieurs dizaines de mA) avec des champs élevés (10 à 20 MV/m), chaque cavité doit être alimentée en puissance hyperfréquence de plusieurs centaines de kW. Le coupleur de puissance assure ce rôle.
Le SACM développe un coupleur capable de transmettre à la cavité jusqu’à 1 MW en mode pulsé, et 100 kW en valeur moyenne. Un prototype de la fenêtre en alumine qui assure la séparation entre l’ultravide de la cavité et l’air ambiant, tout en réalisant l’adaptation de la haute fréquence, a été réalisé. Il a été testé à faible puissance pour vérifier ses caractéristiques hautes fréquences. Deux coupleurs complets sont en cours de réalisation.
Installation de puissance haute fréquence du SACM comprenant les bancs de puissance à 704 MHz et à 1300 MHz.
Banc de test des coupleurs
Afin de tester l’ensemble des composants, le SACM s’équipe d’un banc de puissance à 704 MHz fournissant plus de 1 MW en mode pulsé. Le banc se compose d’une alimentation de 110 kV, d’un modulateur générant des pulses de 2 ms à 50 Hz, et bien sûr le klystron qui génère la puissance hyperfréquence. La sortie du klystron peut être connectée, au travers d’un réseau de guide d’onde, à un banc de test et au cryostat d’essai Cryholab, ce qui permet d’étudier et de conditionner les coupleurs de puissance et de réaliser les essais des cavités dans un environnement comparable à celui d’un accélérateur.
• Physique et technologie des accélérateurs › Instrumentations et développements pour les accélérateurs
• Le Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme (DACM)
