Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme

L'accélérateur linéaire

L'accélérateur linéaire du projet SPIRAL2 (Système de Production d'Ions RAdioactifs en Ligne de 2^e génération) au GANIL (Grand Accélérateur National d’Ions Lourds) à Caen, commence par les sources d'ions qui délivrent des faisceaux d'ions légers, les protons et deutons, ou des ions lourds avec Q/A > 1/3, aux LBE (Ligne Basse Énergie). Celles-ci façonnent le faisceau pour l'injecter dans le RFQ (cavité Radio Fréquence Quadrupolaire) qui l'accélère à l'énergie de 0.75 MeV/A tout en le focalisant en transverse et en le regroupant en paquets dans le plan longitudinal. Ensuite, la LME (Ligne Moyenne Énergie) adapte le faisceau dans les six dimensions pour l'injecter dans le Linac supraconducteur comprenant les cryomodules de type A et B qui l'accélèrent à l'énergie finale, qui est de 33 MeV pour les protons.

Commissioning faisceau et modèle numérique de l'accélérateur

Le fonctionnement de l'accélérateur, de la phase de mise en service (commissioning) jusqu'à l'utilisation routinière, ne peut se faire qu'avec le fonctionnement en parallèle d'un modèle numérique qui doit représenter l'accélérateur le plus fidèlement possible. Cet avatar numérique est bâti au départ comme un outil prédictif pour concevoir l'accélérateur, puis pour guider son commissioning, qui en retour va servir à le calibrer et à le rendre plus réaliste, plus proche de la machine.

Le commissioning faisceau de l’accélérateur s'est appuyé comme il se doit sur son modèle théorique. Fort de son expérience en commissioning d’injecteur et sur ses codes de simulation, le DACM s’est basé sur les mesures expérimentales pour améliorer de manière continu le modèle théorique de la machine ainsi que les outils de simulations associés. Les mesures du faisceau à plusieurs positions clés de l'accélérateur ont permis de valider ces développements et d'obtenir d’excellents résultats quant aux profils de faisceau, aux pertes faisceau et à sa transmission. Grâce à ce travail, l’ensemble du Linac, de la source jusqu'à la cible est aujourd’hui pratiquement complètement réglé, simplement en affichant les réglages théoriques. Un gain de temps majeur, compte tenu de la multitude de faisceaux et de gammes de réglage que requiert ce type de machine. Les mesures d’émittance en entrée de la LME ou de la transmission du RFQ en fonction de la tension illustre cet excellent accord entre mesures et simulations.

Mise en service du RFQ

Le RFQ est une structure incontournable pour les premiers étages d'un accélérateurs linéaire d'ions. Il effectue la mise en paquets du faisceau et une pré-accélération associée à une focalisation simultanée du faisceau afin de contrer la charge d'espace qui est colossale à basse énergie. L’IRFU avait en charge les études, la réalisation, le montage et la mise en service du RFQ de SPIRAL2 au GANIL.

La première mise en champ de la cavité a eu lieu le 15 novembre 2015, jusqu’à permettre, le 3 décembre 2015 à 9h00, l’accélération de son premier faisceau de protons à l’énergie nominal de 0.75 MeV (pour une tension de 50 kV). Fin 2016, le premier faisceau d’ions q/A = 1/3 (0.6 mA d’oxygène 18, 6+) a traversé le RFQ réglé à sa tension nominale de fonctionnement, soit 113 kV. Le commissioning faisceau et RF s’est poursuivi en 2017 jusqu’à un fonctionnement en mode continu pour une puissance RF de 200 kW et une puissance faisceau de 3.5 kW.

Les mesures des caractéristiques des faisceaux de sortie réalisées lors d'une campagne de mesure sur le BTI (Banc de Test Intermédiaire), installé temporairement en sortie du RFQ, ont été comparées aux résultats obtenus par simulations numériques. L’accord observé a permis de valider le design de la cavité du RFQ, ainsi que les procédures complexes de réglage de la tension mises en œuvre par les équipes du DACM et du DIS. Elle apporte également une nouvelle preuve expérimentale de la précision et de la prédictivité des codes de simulation développés au DACM et utilisés au GANIL.

Mise en service des cryomodules à bas béta

Le Linac supraconducteur de SPIRAL2 comporte deux familles de cryomodules de type A et B. L'IRFU a réalisé les douze cryomodules A intégrant chacun une cavité à bas béta (b = 0.07) servant à accélérer les particules à une vitesse égale à 7 % de la vitesse de la lumière. L’IPNO (l'Institut de Physique Nucléaire d'Orsay) a réalisé les sept cryomodules B intégrant chacun deux cavités à haut béta (b = 0.12) servant à accélérer jusqu'à 12 % de la vitesse de la lumière.

Suite à l’autorisation de mise en service de SPIRAL2 délivrée par l’Autorité de Sureté Nucléaire (ASN) le 8 juillet 2019, de nombreuses étapes cruciales se sont enchaînées avec succès en 2019. Ainsi, en juillet, une première injection de radio fréquence (RF) a été réalisée dans une cavité froide (à une température de 4 K). Cette première montée en champ d’une cavité supraconductrice sur le site du GANIL a permis de valider les procédures d’installation et de vérifier l’absence de pollution interne des cavités. En septembre, la qualification complète des 26 cavités accélératrices du Linac est finalisée. Les mesures obtenues sont bien conformes à celles attendues. Cette étape a permis également de valider les performances cryogéniques de l’ensemble de l’accélérateur. Le 28 octobre, le premier faisceau de protons est injecté dans le Linac et, fin novembre, un faisceau de protons d’environ 100 mA avec un cycle utile de 1/1000 est accéléré à son énergie nominale de 33 MeV. En septembre 2020, le courant nominal de 5 mA est atteint et finalement, en novembre, un faisceau de protons de 16 kW est délivré par le Linac de SPIRAL2. Cela représente 10 % de la puissance maximale de la machine en protons et marque un jalon majeur pour le projet.