Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme

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.

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.

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.

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.

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.

La Royal Astronomical Society a annoncé aujourd'hui que leur prestigieux Group Achievement Award a été décerné à l'équipe internationale qui a développé l'instrument Mid InfraRed (MIRI) pour le télescope spatial James Webb (JWST). Ce prix récompense l'impressionnante réussite de l'équipe, qui a su mener à bien un projet international aussi long et complexe, ainsi que permettre des résultats scientifiques impressionnants émergeant de MIRI.

Le PEPR Suprafusion (Programme d'équipement prioritaire de recherche exploratoire), proposé par le CEA et le CNRS, est lauréat de la troisième vague d'appel à projets du plan France 2030. Ce financement de 50 millions d'euros permettra le développement des supraconducteurs à haute température afin de répondre aux défis énergétiques et sociétaux de demain, notamment avec une application dans le domaine de la fusion.

JT-60SA, le plus grand tokamak au Japon, a été mis en fonctionnement le 1er décembre. Les départements du DACM et du DIS de l'Irfu, sont des acteurs clés de ce projet qui a duré 10 ans, à travers leurs contributions sur les aimants supraconducteurs et les structures mécaniques pour les assembler en tokamak. Walid ABDEL MAKSOUD, ancien chef de projet du projet JT60-SA pour les aimants témoigne: « Ce premier plasma représente aujourd’hui l’aboutissement d’une aventure scientifique extraordinaire ayant duré plus de 10 ans.

Grâce à l’expertise développée par le CEA lors des projets Spiral2 et Ifmif, le CEA signe en 2014 un contrat avec le centre de recherche nucléaire de Soreq (SNRC, Israël) pour la réalisation d’un accélérateur linéaire supraconducteur nommé Saraf (Soreq Applied Research Accelerator Facility). Il s’agit de construire un accélérateur pouvant fournir des faisceaux de protons et de deutons d’énergie variable entre 5 et 40 MeV avec une intensité allant jusqu’à 5 mA.

Le CEA et le DOE entretiennent une longue et fructueuse collaboration dans de nombreux domaines, notamment la fusion, la physique des hautes énergies et la physique nucléaire avec des projets en cours réunissant les deux organismes sur ces différents domaines. Lundi 13 novembre 2023, le CEA et le DOE ont signé une déclaration d'intention pour renforcer leur collaboration dans le domaine de la science et de la technologie des accélérateurs et des détecteurs, en vue de la construction du collisionneur électron-ion (EIC) basé au Brookhaven National Laboratory.  

PIP-II (Proton Improvement Plan-II) est le premier accélérateur de particules construit aux États-Unis avec d'importantes contributions de partenaires internationaux dont le CEA qui apporte son expertise dans le domaine des cavités radiofréquences supraconductrices et des technologies associées.

La mise en exploitation de l’IRM 11,7 T Iseult en 2021 a couronné près de 20 ans de recherche et développement du CEA. Dans un article publié dans le journal Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology and Medecine, Nicolas Boulant et Lionel Quettier, chefs du projet Iseult pour les instituts Joliot et Irfu du CEA, passent en revue les détails de cette mise en service.

La récente mise à jour de la stratégie européenne pour la physique des particules a recommandé une étude de faisabilité pour la future génération de collisionneur. Dans ce cadre, le « Laboratory Directors Group », dont l’Irfu fait partie, a été mandaté par le conseil du CERN pour superviser l’élaboration d’une feuille de route sur la R&D des accélérateurs.

Le projet MADMAX, dont le lancement a eu lieu en novembre 2016, est mené par le Max Planck Institut für Physik en collaboration avec plusieurs instituts européens. Le projet a pour objectif la découverte d’axions d’une masse d’environ 100 µeV, candidats potentiels à la matière noire. Pour détecter ces axions, il est nécessaire de développer un détecteur spécifique composé d’un amplificateur de signal électromagnétique et d’un aimant proportionnel à la taille de l’amplificateur et délivrant un fort champ magnétique.

Une équipe NeuroSpin a développé une méthode pour maximiser la correction des inhomogénéités du champ magnétique statique des IRM haut champ et a conçu un prototype, le fourreau de shim Scotch, pour la mettre en œuvre. Dans un article publié dans NeuroImage, l’équipe montre que Scotch remplit son rôle avec une précision inégalée.

Depuis le dévoilement des premières images acquises avec l’IRM 11,7 T installé à NeuroSpin à l’automne 2021, le travail des équipes du CEA-Irfu et du CEA-Joliot s’est poursuivi et s’est notamment concentré sur le développement et la validation expérimentale de leur antenne “home made” dédiée à cet imageur exceptionnel. Car, bien que spectaculaires, les images de potimarron n’étaient pas optimales, acquises avec une simple antenne de validation des équipements.

Le LEAS (Laboratoire d’Etude des Aimants Supraconducteurs) au CEA Paris-Saclay a entièrement fabriqué une bobine à base du supraconducteur Nb3Sn (niobium-étain), de type SMC (Short Model Coil). Cette bobine est un modèle court destiné à être assemblé dans une structure d’aimant, puis être testé à température cryogénique. Le Nb3Sn est envisagé pour des futurs aimants d’accélérateurs générant des champs magnétiques jusqu’à 16 T (teslas), ce qui doublerait les performances des meilleurs aimants actuellement utilisés.

L'objectif visé dans la construction de la réalisation de sources compactes de neutrons à base d’accélérateurs à fort courant est de permettre de réaliser, sur ces sources, des expériences de diffusion de neutrons, avec pratiquement la même qualité que celles réalisées auprès des lignes neutrons issues de réacteurs de recherche de type Orphée*.

Les équipes du CEA en collaboration avec celles de ESS ont travaillé de long mois sur le conditionnement du RFQ livré à ESS en 2019. Le 28 juillet 2021, le conditionnement s’est terminé avec succès avec 110% de la puissance de fonctionnement nominale et le 26 novembre dernier, le faisceau est passé pour la première fois dans le RFQ. Le conditionnement du RFQ marque la fin d’un processus long de plusieurs années au CEA pour cet élément, un composant central du futur accélérateur linéaire ESS en Suède.

Depuis que l’aimant principal de l’appareil IRM du projet Iseult a pris place dans son arche de Neuropsin en 2017, 4 ans ont été nécessaires pour le transformer en l’aimant le plus puissant, le plus autonome reposant sur un système de haute disponibilité lui permettant de fonctionner pendant 10 ans ! En 2018, pour son 1er refroidissement, il a fallu 14 semaines pour passer de la température ambiante à sa température nominale de 1,8K. Depuis mars 2019, l’aimant est à 1,8K sans interruption de service.

Deux instruments de pointe, GLAD et COCOTIER, ont étés conçus et construits à l’Irfu dans les dernières années et sont maintenant opérationnels au sein de la salle expérimentale R3B de l’accélérateur d’ions lourds de GSI (Darmstadt, Allemagne). Les deux sont destinés à faire partie de l’équipement qui sera utilisé auprès de FAIR, la nouvelle machine en construction sur le site de GSI. GLAD est un spectromètre de grande acceptance destiné à l’analyse des réactions de faisceaux d’ions lourds radioactifs relativistes.

L’électroaimant supraconducteur quadripôle de grande ouverture (90 mm) pour le projet HL-LHC du Cern qui a été fabriqué et testé à 4,2 K par les équipes de l’Irfu, a atteint le 5 mars 2021 son gradient nominal de 120 T/m (défini pour 1,9 K). Ces très bons résultats viennent valider la conception et les procédures de fabrication proposées par l’Irfu qui font l’objet d’un transfert technologique vers les industriels membres du projet Européen QuaCo (QUAdrupoleCOrrector).

  L'objectif principal de l'expérience KATRIN est la mesure de la masse des trois neutrinos du modèle standard de la physique des particules. Mais l'analyse du spectre de décroissance bêta du tritium permet également de rechercher la trace d'un hypothétique quatrième neutrino, appelé neutrino stérile. La collaboration vient de soumettre pour publication la première analyse (voir article) à partir de quatre semaines de données acquises en 2019.

Ganil met en service son nouvel accélérateur linéaire supraconducteur (Linac – Figure 1). Cette accélérateur de forte puissance dote le Ganil de nouvelles possibilités en terme de faisceaux au service de la recherche en physique nucléaire. En fournissant des faisceaux d'une intensité allant jusqu'à 5 mA (3x1016 particules par seconde) le Linac de la nouvelle installation Spiral2 (Système de Production d’Ions Radioactifs en Ligne de 2de génération) permettra aux différents programmes scientifiques et techniques du Ganil de franchir de nouvelles frontières. 

La mise en service progressive du tokamak japonais JT60-SA vient de passer un jalon important le 26 novembre : les 18 bobines toroïdales supraconductrices de la machine ont atteint leur température de fonctionnement nominal à 4.5 Kelvin (-269°C).

Un an et demi après la livraison du cryomodule prototype (CM00) à ESS, le premier cryomodule medium beta de série (CM01) vient à son tour d’arriver sur le site d’ESS. Celui-ci a quitté le CEA le 22 septembre 2020 pour un voyage de deux jours vers Lund en Suède. Les équipes de l’Irfu avaient au préalable validé les performances RF et cryogéniques de ce cryomodule. Il sera à nouveau testé sur le banc de test de ESS avant d’intégrer sa position finale dans le tunnel de l’accélérateur. C’est une première étape.

Le 28 octobre 2014, le CEA signe un contrat avec le centre de recherche israélien de Soreq (SNRC) pour la réalisation d’un accélérateur nommé SARAF (Soreq Applied Research Accelerator Facility) par les équipes de l’Irfu. Cet accord se concrétise par des phases d’études préliminaires et détaillées sur une période de 18 mois (2015 et 2016) ouvrant vers une phase de construction, de tests et d’installation sur le site qui durera 6 ans.

L’injecteur de protons du FAIR proton Linac qui doit être installé au GSI en 2020 est en phase de commissioning à Saclay depuis fin 2017. L’objectif était de caractériser le faisceau de protons qui sera injecté dans l’étage d’accélération suivant qui est un RFQ de type « Ladder-RFQ » actuellement en construction à l’université de Frankfort. L’injecteur a pu produire un faisceau d’une intensité totale de 140 mA avec 120 mA de protons transportés en fin de ligne basse énergie.

Pour que les images produites par le futur IRM ne subissent des déformations ou d'artefacts, le champ magnétique généré par l'aimant Iseult doit être homogène à 0,5 PPM (parties par millions) autour du cerveau du patient. Pour répondre à ce challenge, il a fallu prévoir des moyens de « réglage » (en anglais « shimming » – calage) du champ afin de corriger tous les petits défauts qui découlent inévitablement de la fabrication.

Le projet EUPRAXIA vient de terminer fin 2019 sa phase d'étude de conception avec la délivrance du Rapport de Design Conceptuel (CDR). L'implication forte de l'IRFU, notamment dans le domaine de physique du faisceau de particules, a permis de montrer que des solutions existent pour la réalisation d'un accélérateur à champ de sillage dans les plasmas, avec une qualité de faisceau approchant celle des accélérateurs conventionnels.