Un accélérateur de protons à haute intensité constitue une source intense de faisceaux secondaires : neutrons, muons, neutrinos, noyaux radioactifs, etc., dont les caractéristiques ouvrent de nouveaux champs d'études et d'applications, en recherche fondamentale, comme en recherche appliquée. La construction et le test d’un prototype de ces accélérateurs de future génération, en particulier de la partie à basse énergie, devraient permettre de disposer de références conceptuelles et expérimentales pour les choix techniques futurs. La construction du prototype d’Injecteur de protons à haute intensité, Iphi, répond à ces objectifs. Le projet Iphi est réalisé en collaboration entre la Direction des sciences de la matière (DSM) du CEA, l'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) du CNRS et le Cern.
Iphi est un prototype d’injecteur de protons accélérant jusqu’à 3 MeV un faisceau de 100 mA continu. Il se compose principalement d'une source de protons et de son transport de faisceau à basse énergie (95 keV), d'une cavité accélératrice de type RFQ (Radio frequency quadrupole) portant l’énergie à 3 MeV et d'une ligne de diagnostics destinée à mesurer avec la plus grande précision possible toutes les caractéristiques essentielles du faisceau en sortie du RFQ. Parallèlement, un prototype de cavité DTL (Drift tube linac) - cavité la mieux adaptée pour accélérer le faisceau issu du RFQ – a été développé et testé avec succès au Cern en 2002.
Représentation 3-D de l’accélérateur Iphi, depuis la source Silhi en bas à gauche, jusqu’au bloc d’arrêt en haut à droite, en passant par les cavités accélératrices radiofréquence et la ligne de diagnostics du faisceau. Les parties en gris représentent les protections biologiques en béton.
Vue du 1er tronçon de quadripôle accélérateur radiofréquence installé sur la poutre support.
Fabrication de la cavité accélératrice de type RFQ
La cavité accélératrice RFQ constitue le cœur de cet accélérateur. En effet, une telle cavité résonante excitée par une onde radiofréquence (352 MHz pour Iphi), est capable en même temps de regrouper quasiment sans pertes le faisceau continu issu de la source et de l’accélérer tout en le focalisant. La contrepartie de ces exceptionnelles qualités est une très grande difficulté de réalisation.
La cavité est constituée de six éléments – les tronçons – d’environ un mètre chacun. Chaque tronçon unique est usiné en quatre parties appelées électrodes. Le profil modulé de ces électrodes doit être réalisé avec une précision de +/- 20 micromètres. Des canaux de refroidissement sont percés longitudinalement sur un mètre avec une précision de positionnement de +/- 0,2 mm.
Le matériau choisi est un cuivre ultra pur exempt d’oxygène, forgé à chaud en trois dimensions puis stabilisé par un cycle thermique. Après la phase d’ébauchage, chaque électrode subit un nouveau cycle thermique sous vide à 600°C destiné à relâcher les contraintes mécaniques causées par l’outil de fraisage. Ces traitements ont pour conséquence de donner un matériau extrêmement ductile et donc très délicat à usiner. À l’issue de l’usinage de finition, les quatre électrodes sont assemblées par un premier brasage à 800°C dans un four sous vide. Une deuxième opération de brasage permet de rapporter l’ensemble des appendices nécessaires au fonctionnement.
Après la réalisation d’un prototype de validation fonctionnel, la fabrication des tronçons de série a débuté en 2004 et se terminera en 2007. L’usinage a été confié à la société Mécachrome et l’assemblage est assuré par l’atelier de brasage du Cern.
Réglage radiofréquence du RFQ
Pour accélérer le faisceau de façon nominale, la cavité RFQ doit aussi être réglée du point de vue radiofréquence avec une très grande précision. Ce réglage est obtenu par l’insertion dans la cavité de 96 cylindres en cuivre appelés pistons dont les cotes doivent être ajustées individuellement pour respecter la loi de champ électrique calculée. Un tel réglage ne peut en aucun cas être réalisé de manière empirique. Une maquette en aluminium à l’échelle 1 de la cavité a été réalisée pour permettre d’étudier et de mettre au point les procédés de réglage. En 2006, ces procédés ont été validés sur cette maquette qui a pu être ajustée avec la précision requise. Les procédés seront appliqués en 2007 à la cavité en cuivre après assemblage et alignement des six tronçons sur son support.
Vue du tronçon n° 2 de quadripôle radiofréquence entrant dans le four de brasage du Cern.
Vue d’ensemble de la ligne de diagnostics en cours d’assemblage. De gauche à droite : un triplet de quadripôles, un dipôle permettant de guider les particules suivant leur énergie, et deux quadripôles en fin de ligne.
Installation à Saclay
L’installation d’Iphi à Saclay dans les halls libérés de l’accélérateur Saturne a débuté en 2003 par l’assemblage de la source de protons et des protections biologiques ; elle sera terminée en 2007. Les essais du système de refroidissement et du générateur RF de puissance devraient commencer au premier trimestre 2007. L’activité critique de l’année 2007 se concentrera sur le brasage des tronçons de RFQ réalisé au Cern, sur l’assemblage et le réglage radiofréquence de la cavité.
Les essais à Saclay se dérouleront en trois phases sur environ une année. Une période de huit mois environ sera consacrée au démarrage et à la montée en puissance jusqu’à atteindre les performances nominales de Iphi. Deux à trois mois seront ensuite réservés à des essais de fiabilité à intensité réduite dans le cadre du programme européen Eurotrans. Une troisième période verra l’installation et le test d’un dispositif de découpage rapide du faisceau appelé chopper développé par le Cern. À l’issue de ces essais prévus en 2007 – 2008, une partie de Iphi sera démontée, transférée au Cern et à terme intégrée à l’injecteur du Linac 4 / SPL (Superconducting proton linac).
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