A haute énergie, les protons peuvent être accélérés par des cavités supraconductrices en niobium de forme elliptique qui fonctionnent à la température de l’hélium superfluide (< 2,17 K). Cette partie à haute énergie du Linac est constituée de plusieurs tronçons, contenant des groupes de cavités multicellulaires ayant des géométries différentes, adaptées à la vitesse relative des protons par rapport à la vitesse de la lumière (β = v/c = 0.47, 0.65, 0.85). Au cours des trois dernières années, nous avons mis en place un certain nombre « d’outils » nous permettant de réaliser et de tester ces cavités.
Conception, fabrication et tests des cavités
Le travail de conception et les premiers tests sur des monocellules ont fait l’objet d’une thèse soutenue en 2001. Des codes de calcul 3-D électromagnétique et mécanique ont été utilisés pour définir le profil de la cavité. Le champ électrique accélérateur sur l’axe du faisceau est optimisé, tout en limitant les maxima des champs électrique et magnétique sur la surface interne de la cavité. En effet, ces derniers sont responsables de phénomènes limitant les performances de la cavité : l’émission d’électrons à partir de la surface et l’échauffement de la paroi conduisant à la perte de l’état supraconducteur pour le niobium. Ces cavités nécessitent d’avoir également un très bon facteur de qualité afin de minimiser la consommation cryogénique.
A la suite du travail effectué sur des cavités monocellulaires, le développement s’est poursuivi avec la fabrication et le test d’une cavité à 5 cellules (f = 700 MHz, ?? = 0,65), en collaboration avec l’Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3). Dans les deux cas, les cavités réalisées ont eu des performances d’environ 30 % supérieures aux spécifications requises pour leur implantation sur le Linac.
A l’heure actuelle, la R&D est centrée sur la réalisation et le test de cavités mono et multicellulaires ayant une valeur de β = 0,47 ainsi que sur la poursuite des développements technologiques nécessaires.
Cavité elliptique monocellulaire équipée de son enceinte d’hélium.
Cavité à cinq cellules en salle blanche. Avant d’être testée, la cavité est rincée à l’eau ultra pure sous haute pression (à 80 bars).
Développements technologiques
La longueur (1 m) et la masse (~100 kg) d’une cavité à 5 cellules étant conséquentes, il a fallu développer des outils de mise en œuvre spécifiques, en particulier des chariots de manutention dont l’un est spécialement adapté à l’environnement hors poussière en salle blanche.
Afin de poursuivre l’équipement complet de la cavité, nous développons, en collaboration avec l’IN2P3, un système d’accord à froid qui permet d’ajuster la fréquence de la cavité par déformation mécanique, ainsi qu’un coupleur de puissance et son banc de test associé qui permet d’injecter le champ radiofréquence dans la cavité.
Mise en service de Cryholab
Cryholab est un cryostat horizontal de laboratoire qui permet de tester des cavités supraconductrices monocellulaires et multicellulaires à la température de l’hélium liquide (4,2 K) ou superfluide (1,8 K), dans des conditions proches de celles d’un accélérateur : un réservoir d’hélium est soudé autour de la cavité, et celle-ci est positionnée horizontalement équipée de son coupleur de puissance et de son système d’accord à froid. Pour un fonctionnement autonome de Cryholab un liquéfacteur, fournissant l’hélium liquide nécessaire, lui est directement associé.
Cryholab a été conçu et construit en collaboration avec l’IN2P3 et en partie financé par la région Ile de France.
Pour des raisons d’isolation thermique, le cryostat est d’abord refroidi à la température de l’azote liquide (77 K) : ce type de contrainte se retrouve également sur un accélérateur. Le processus de descente en froid de la cavité se fait donc lentement et dégrade les performances de la cavité car des hydrures de niobium se forment aux alentours de 100 K. Pour éviter ce phénomène, la cavité doit subir au préalable un recuit afin d’éliminer l’hydrogène piégé dans le matériau ; cette opération s’effectue à 800 °C dans un four sous vide.
Cavité à cinq cellules dans Cryholab.
Plateforme Cryholab dédiée aux tests de cavités supraconductrices dans des conditions proches de celles d’un accélérateur.
L’installation et la mise en service de Cryholab ont été réalisées en 2000 et 2001. Les premiers tests sur des cavités monocellulaires ont eu lieu fin 2001 et début 2002. Le test d’une cavité à 5 cellules a été effectué début 2003 avec un liquéfacteur d’hélium opérationnel. Le coupleur, qui permettra d’injecter l’onde radiofréquence à 700 MHz en mode continu (avec une puissance de 80 kW) ou pulsé (puissance de 1 MW) a été étudié et est en cours de réalisation.
Cryholab sera utilisé pour le test de nombreux autres types de cavités supraconductrices dans le cadre de plusieurs programmes européens concernant des développements sur les accélérateurs.
• Physique et technologie des accélérateurs › Sources et injecteurs à haute intensité
• Le Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme (DACM)
