Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme

Avec sa compétence reconnue en physique du faisceau de particules accélérées, autant pour les techniques d'accélération radiofréquence que celles basées sur les plasmas, une équipe de l'Irfu/DACM vient de finaliser le design d'un accélérateur laser-plasma pouvant servir d'injecteur à l'expérience AWAKE 2 du CERN. Des simulations massives sur ordinateur (2 millions d'heure de temps CPU) ont permis de trouver une solution technique pour délivrer un faisceau d'électrons de 200 MeV avec des exigences de charge (100 pC) et de qualité faisceau (émittance, dispersion en énergie) jamais encore demandées. Cet accélérateur est envisagé comme une alternative à un accélérateur radiofréquence conventionnel qui permet de concevoir un accélérateur beaucoup plus compact. 

Les résultats de cette éude viennent d'être publiés :S. Marini et al., Beam physics studies for a high charge and high beam quality laser-plasma accelerator, Phys. Rev. Accel. Beams 27, 063401 (2024)

Dans les années 1990, des projets d’accélérateurs d’ions intenses ont émergé, visant à atteindre des énergies jusqu'à 1 GeV avec des intensités de plusieurs dizaines à une centaine de mA, comparé aux machines existantes opérant à des dizaines de µA.

Ces accélérateurs sont destinés à la recherche en physique nucléaire, des particules, mais aussi pour l'irradiation de matériaux et l'étude de la matière condensée avec des faisceaux de neutrons intenses. Le défi principal était de maîtriser les pertes pour limiter l’activation des structures, nécessitant des outils de simulation performants.

Le DACM, Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme de l'Irfu, a développé une suite de codes pour améliorer la précision des simulations, avec une attention particulière à l’interfaçage graphique et la portabilité. Distribués sous une licence CEA propriétaire, ces outils sont devenus une référence internationale, utilisés par de nombreux laboratoires et entreprises. En 2024, le seuil symbolique des 1000 licences vendues est franchi.

Dix années de travail collaboratif intense entre les équipes du DACM et du DIS de l'Irfu ont abouti, en ce début d’été 2024, au succès du test de l’aimant supraconducteur MQYYM dans la nouvelle station de tests d’aimants d’accélérateur quadripôle STAARQ. De par ces résultats exceptionnels, 3 axes de développement fortement interconnectés entre les deux départements ont été validés :

• Un axe conception et fabrication d’aimant d’accélérateur NbTi (niobium-titane) pour HL-LHC avec l’aimant MQYYM (DACM/LEAS et DIS/LCAP-LRI),
• Un axe cryogénie à 1,9 K avec le développement de la station cryogénique de STAARQ (DACM/LCSE et DIS/LCAP-LRI),
• Un axe test d’aimant supraconducteur avec la qualification du système de protection de l’aimant basé sur un Magnet Safety System numérique (DIS/LEI). 

Ce test n’aurait par ailleurs pas été possible sans l’implication du DIS/LDISC pour le système de contrôle commande et le DIS/LEIGE pour l’électrotechnique et l’électronique de puissance.
 

Un aimant hybride, capable de générer 43 teslas dans un diamètre de 34 mm par la combinaison d’aimants résistifs placés au centre d’un aimant supraconducteur, est développé par le LNCMI en collaboration avec l’Irfu. L’aimant supraconducteur a passé avec succès toutes les validations après près de 15 années de travail de conception, réalisations, assemblage et installation sur site. Trois phases de refroidissement ont été nécessaires pour valider l’ensemble de la bobine supraconductrice à 1,8 kelvin pour un courant nominal de 7 150 ampères : une belle réussite pour un projet qui a nécessité de longues phases d’études pour assurer la sécurité du fonctionnement Hybride. Pour résoudre ces besoins de sécurité, des innovations technologiques ont été nécessaires, dont l’une a fait l’objet d’un brevet. Les équipes se concentrent maintenant sur la montée en puissance du champ magnétique pour atteindre les 43 T avec les aimants résistifs sous la responsabilité du CNRS. 

Les aimants hybrides sont des technologies cruciales pour de nombreux développements, notamment celui des technologies d’inserts HTS dont les applications sont multiples, de la fusion à la recherche de la matière noire. Or au monde, il n’existe que deux stations d’essais qui proposent un champ magnétique de plus de 40 T en champ permanent (USA et Chine).

Le projet Iseult dévoile ses premières images de cerveau obtenues grâce à l’IRM à 11,7 teslas, après presque 25 ans de travail. Une première mondiale rendue possible grâce à l’investissement de plus de 200 salariés CEA qui y ont cru dès les premiers instants à ce projet extrêmement ambitieux.

Au début des années 2000, un projet franco-allemand est lancé pour développer l’imagerie à très haute résolution. L’un des objectifs est de construire un imageur dont la pièce maitresse est un aimant supraconducteur atteignant 11,7 teslas avec une ouverture de 900 mm, mais aucun fabricant d’IRM ne veut se lancer seul dans cette folle aventure. Fort de son expérience et de ses compétences dans les aimants supraconducteurs acquises depuis 40 ans (notamment pour le Cern ou la fusion), le CEA décide de relever le défi et propose dès 2006 un premier design avec des solutions technologiques innovantes, avant de fabriquer et tester de nombreux prototypes et finalement débuter la fabrication de l’aimant en 2010. Il faudra 7 ans pour que les équipes du CEA et d’Alstom (maintenant General Electric) finalisent la construction de cet aimant hors norme, un colosse de 132 tonnes, 5 mètres de long, 5 mètres de diamètre, composé de 182 km de fils supraconducteurs refroidis à -271,35°C grâce à 7 500 litres d’hélium à l’état superfluide.