Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme

Après 8 ans de construction et de tests, XFEL, le Laser européen à électrons libres démarre officiellement son exploitation et sera inauguré le 1er septembre à Hambourg (Allemagne). Onze pays ont participé à la construction de cette infrastructure pour un budget total de 1,2 G€. En France l'Irfu et l'IN2P3 ont joué un rôle de premier plan dans la conception et la construction de l’accélérateur linéaire d’électrons nécessaire pour produire une lumière ultra-brillante dans la gamme des rayons X. Cette nouvelle infrastructure de recherche ouvre de nombreuses opportunités pour les scientifiques européens en physique, biologie et sciences des matériaux dans les années à venir. La première lumière laser a été produite en mai 2017. Les utilisateurs de la machine pourront commencer leurs expériences dans les prochaines semaines.

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.

Début août 2017, le dipôle FRESCA2, conçu et réalisé en collaboration entre l’Irfu et le CERN, a atteint le champ de 13,3 T au centre de l’ouverture de 100 mm lors des tests effectués dans la station d’essai HFM au CERN. C’est un nouveau record mondial, avec une énergie stockée de 3 MJ/m et des forces mécaniques jamais atteintes dans ce type d’aimant. Cet électroaimant a été étudié pour donner une homogénéité de champ magnétique de l’ordre du pourcent sur une longueur de 540 mm.

Lors d’un premier refroidissement à 1,9 K, l’aimant dipôle FRESCA2b a atteint un champ de 13,04 T à 10,6 kA après deux quenchs [1] et ce champ a été maintenu dans l’aimant pendant une heure. Si seulement deux essais ont pu être réalisés à 4,5 K, compte-tenu du temps disponible, ils ont montré deux quenchs à des valeurs très proches du champ nominal (12,98 T). Après un cycle thermique (remontée à la température de 280 K et deuxième refroidissement à 1,9 K), l’aimant a atteint le champ de 13,3 T à 10,85 kA sans quench additionnel. Cette valeur correspond à 71 % de la valeur maximale atteignable sur la ligne de charge de l’aimant. A 13 T, l’aimant a montré un fonctionnement stable pendant quatre heures. La station de test est à présent en maintenance, et les tests devraient reprendre en octobre pour explorer les limites d’opération du nouvel aimant.

Les équipes du DACM et du DIS ont réalisé un champ magnétique record de 4,52 teslas au centre d’un dipôle prototype bobiné avec un matériau supraconducteur à haute température critique lors d’essais en bain d’hélium liquide. C'est 1 tesla de plus que le dernier record connu pour un dipôle du même type.

Ce dipôle est la première étape vers l’utilisation des supraconducteurs à haute température critique (HTS) pour les aimants d’accélérateurs. Il a comme objectif de démontrer l’utilisation possible d'un ruban céramique HTS de type REBCO pour générer un champ additionnel de 5 T à 4,2 K dans le champ de 13 T du dipôle Nb₃Sn FRESCA2, et obtenir un champ total de 18 T.

La conception de cet aimant a commencé dans le cadre du programme européen EuCARD (European Coordination for Accelerator Research and Development), en collaboration avec le CNRS de Grenoble, l’INFN de Milan, l’Université de Tampere et le CERN. Ella a été poursuivie et complétée dans le cadre du premier contrat de collaboration CERN/CEA sur les aimants supraconducteurs pour les accélérateurs du futur. Le design de l’aimant a ainsi pu être amélioré et le prototype réalisé par les agents du Laboratoire d’Etudes des Aimants Supraconducteurs (LEAS) à Saclay de 2014 à 2016.

Les tests de l’aimant ont débuté en avril 2017, dans la station d’essai Séjos du Laboratoire de Cryogénie et Stations d’Essais (LCSE). Une première campagne d’expériences à 77 K, en azote gaz, puis en bain d’azote liquide, a permis de vérifier les performances du câble supraconducteur tout en restant à des valeurs réduites d’énergie stockée. Au delà du courant nominal de 295 A, ces essais à 77 K ont été poussés jusqu'à 320 A.

Les tests ont repris après le refroidissement de l’aimant à une température proche de celle de l’hélium liquide. A cette température, le courant nominal nécessaire pour produire un champ central de 5 T est de 2800 A. Les performances de l’aimant ont d’abord été testées en hélium gaz, conditions pour lesquelles une transition de l’aimant est plus facilement détectable. Le courant de l’aimant a été progressivement augmenté jusqu’à une valeur maximale de 2500 A. A cette valeur, une induction magnétique de 4,3 T a été mesurée par les sondes de hall placées au centre de l’aimant.

Les tests se sont poursuivis en bain d’hélium liquide à 4,2 K. Le courant dans l’aimant a été limité à 2600 A valeur maximale de l’alimentation de puissance utilisée. Aucun signe de transition des rubans supraconducteurs n’a été détecté. L’induction magnétique mesurée au centre de l’aimant était de 4,52 T.

L’ajout d’un nouveau module de puissance, disponible mi-septembre, doit permettre d’atteindre voire dépasser le courant nominal de 2800 A.

Ces tests préliminaires permettront aussi de valider l’ensemble des codes développés dans le cadre des études de l’aimant et de la R&D HTS, notamment pour les problèmes intrinsèques aux supraconducteurs HTS (quench de l’aimant, magnétisation, courants d’écrantages).

Le 6 juillet 2017, en présence de Daniel Verwaerde, administrateur général du CEA, André Syrota, conseiller de l'administrateur général, Claire Corot, directrice recherche et innovation chez Guerbet, Serge Ripart, directeur imagerie chez Siemens Healthcare France, et Gilles Bloch, président de l'Université Paris-Saclay, l'aimant géant de 132 tonnes du projet Iseult a intégré officiellement l’infrastructure de recherche NeuroSpin du centre CEA de Paris-Saclay (Essonne). Cet objet de très haute technologie, qui constitue l’élément principal du scanner IRM (Imagerie par Résonance magnétique) le plus puissant au monde destiné à l’imagerie du cerveau humain, produira un champ magnétique de 11.75 teslas, soit près de 230000 fois le champ magnétique terrestre. Pour atteindre ce niveau de champ magnétique, les ingénieurs chercheurs du CEA ont dû concevoir un aimant supraconducteur hors norme!

Vous revivrez l'aventure de cet aimant sous ce lien.