Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme

L’accélérateur linéaire PIP-II est composé :

• d’un injecteur de 2,1 MeV composé d’une source de protons (H-) de 30 keV, d’une ligne basse énergie, d’une cavité RF fonctionnant à la fréquence de 162,5 MHz et d’une ligne moyenne énergie permettant d’injecter dans le linac supraconducteur ;
• d’un linac principal d’environ 180 mètres de long, composé de 5 familles de cavités supraconductrices regroupées en cryomodules. Ces différentes familles sont conçues pour optimiser l’accélération des protons dans la gamme 2,1 MeV – 833 MeV : 
  • une famille de cavités demi-ondes (HWR) à 162,5 MHz accélérant jusqu’à 10,3 MeV,
  • suivie de 2 familles de cavités dites Spoke à 325 MHz (SSR1, SSR2) accélérant jusqu’à 185 MeV et enfin de 2 familles de cavités elliptiques à 650 MHz pour atteindre l’énergie finale.

Le cryomodule LB650, une contribution de l’Irfu

Les cryomodules LB650 équipent la section accélératrice supraconductrice de l’accélérateur linéaire PIP-II. Ils intègrent 4 cavités supraconductrices β=0,61 à la fréquence de 650 MHz fournies par l’INFN (Italie), les systèmes d’accord en fréquence et les coupleurs de puissance sont quant à eux fournis par Fermilab.
Un cryomodule est un système mécanique et cryogénique complexe permettant d’accélérer le faisceau de protons les traversant. Sa fonction est double : 

• la première est de refroidir les cavités accélératrices à la température de l’hélium liquide superfluide (1,8 K soit -271,35°C) ; 
• la seconde est de supporter mécaniquement ces cavités en limitant les apports de chaleur et en respectant les critères d’alignement fixés par la dynamique faisceau.

Les contraintes mécaniques et thermiques sont très souvent en contradiction et donc le design d’un tel système est un compromis permanent entre celles-ci.

Une collaboration étroite entre l’Irfu et Fermilab

Le cryomodule LB650 (Low beta) ayant de fortes similarités avec le cryomodule HB650 (High beta) développé par Fermilab, il était important pour le CEA de suivre le développement de celui-ci afin d’acquérir le maximum d’expérience sur le principe du « strongback », qui est une nouvelle manière de supporter les cavités par rapport aux cryomodules précédents développés par l’Irfu. 

• Dans un premier temps, le CEA a été partie prenante de l’équipe internationale concevant le cryomodule HB650, en étant responsable notamment du design mécanique et thermique du « strongback ». 
• Dans un second temps, l’équipe CEA a suivi de près l’assemblage du cryomodule prototype HB650 en effectuant un certain nombre de missions d’observation tout au long de l’année 2022. 
• Enfin, du personnel CEA est allé à Fermilab en avril 2023 pour observer les tests RF à froid du cryomodule prototype HB650.

Les retours d’expérience de l’assemblage ont été implémentés sur le design du cryomodule LB650 au cours du premier trimestre 2023. Début avril s’est tenue la revue finale de conception (Final Design Review) : un comité regroupant cinq experts internationaux a porté un regard critique sur la conception du cryomodule et l’organisation du projet au CEA. A l’issue de cette revue, le comité a estimé que la conception du cryomodule LB650 était suffisamment mature. Ce jalon important pour le CEA marque la fin de la phase de conception et lance la phase de réalisation du cryomodule de pré-production.

La fin de l’année 2023 sera marquée par les lancements des marchés pour la fabrication des composants des cryomodules. 
En 2022, le contrat pour la fourniture des quatre amplis RF à état solide de 19 kW a été attribué à la société Jema France ainsi que le contrat de remplacement de la boite froide (permettant de produire l’hélium liquide) à la société Air Liquide.
L’assemblage du cryomodule de pré-production devrait commencer au dernier trimestre de 2024. Quant au démarrage de l’accélérateur PIP-II à Fermilab, il est aujourd’hui planifié pour fin 2028.
 

Contact : Nicolas Bazin