Le 1er cryomodule de démonstration de l’accélérateur ESS passe le test RF de puissance dans les conditions ESS avec succès!

21 décembre 2018

1er cryomodule installé dans la station d'essai pour son premier test de puissance (CEA/Irfu)

Après plus de 5 ans de développement dont 6 mois de travail d’intégration depuis les 12000 pièces détachées jusqu’à un cryomodule complet, le CEA-Irfu vient de valider les premières mesures de ce système complexe cryogénique au champ accélérateur ESS nominal de 17 MeV/m dans les 4 cavités accélératrices supraconductrices le composant.

Aux limites de technologies, c’est la première fois qu’un champ accélérateur aussi intense, maintenu sur des durées de pulse aussi longues et avec une puissance RF aussi importante, est mesuré dans des cavités supraconductrices installées dans un cryomodule.

Cette étape clé permet d’aborder la phase production des 30 cryomodules que la France doit livrer à cette infrastructure de recherche ESS, future source à neutrons opérationnel en 2023 en Suède. Cette intégration en série débutera dès le mois de janvier 2019 sous la maitrise d’œuvre de l’Irfu avec la contribution de l’entreprise B&S France et devra s’achever en 2022.

Contributions de l’Irfu à ESS une future source de neutrons à l’horizon 2023

ESS (European Spallation Source) est une infrastructure de recherche Européenne qui produira des neutrons par spallation. Ceux-ci proviennent de réactions nucléaires résultant de l’irradiation d’une cible de tungstène par un faisceau de protons intenses et de haute énergie lui-même produit par un accélérateur de particules linéaire supraconducteur. La construction à Lund en Suède a démarré pour être totalement opérationnelle en 2023. La France au travers de contributions « en nature » (« inkind » en anglais), participe à la construction de l’accélérateur.

Le CEA/Irfu a plus particulièrement la responsabilité de livrer des composants de haute technologie de l'accélérateur :

Le RFQ (Radio Frequency Quadrupole) qui est la première cavité accélératrice du Linac (partie à basse énergie non supraconductrice) qui amène le faisceau de protons continu injecté à une énergie de 75 keV à une énergie de 3,6 MeV.
30 cryomodules à cavités elliptiques. Chaque cryomodule est un système complexe cryogénique très sensible composé de 4 cavités supraconductrices équipées qui doit permettre d’accélérer des protons. Chaque cryomodule de 6,6 m de long abrite 4 cavités supraconductrices fonctionnant à 2 K, chacune étant alimentée par un coupleur de puissance RF transmettant jusqu’à 1,1 MW de puissance pic. La succession de 30 cryomodules permet, pour une longueur totale d’environ 250 mètres, d’accélérer les protons entre 216 MeV et 2 GeV.
4 types de diagnostics devant fournir une estimation de l’intensité du faisceau, une mesure de la position du centre de gravité du faisceau, une estimation de la « qualité » du faisceau en distribution spatiale et en énergie et une estimation de la pureté des particules qui compose le faisceau.
Et des éléments du système de contrôle.

Eclaté d'un cryomodule équipé de 4 cavités elliptiques (CEA/Irfu)

5 ans de travail sur le cryomodule de la conception au test de puissance

Avant de démarrer la série des 30 cryomodules, la réalisation d’un cryomodule de démonstration s’est naturellement inscrit dans le plan de développement. Son but étant de valider la conception au regard des performances attendues par ESS, un test en puissance RF est réalisé dans la station d’essais développé à Saclay.

Mi 2013 : à partir des paramètres définis pour l’accélérateur, lancement de la conception des cryomodules à cavités elliptiques ESS en partenariat avec CNRS/IPNO. Le CEA-Irfu a plus particulièrement en charge la conception des cavités "packages" qui devront atteindre des champs accélerateurs aux limites des technologies actuelles. En parallèle, le CEA-Irfu (DACM & DIS) a développé une station de tests RF de puissance à 2K dédiée qui permet de tester le cryomodule dans des conditions proches de celles d’ESS.
Février 2018 : début de l’assemblage d’un cryomodule nécessitant des opérations très délicates en salle blanche ISO 4. Le train de cavités est ensuite équipé et instrumenté hors salle blanche.

Fin août 2018, le cryomodule M-ECCTD a été installé dans la station d’essais développée par le DACM et le DIS, connecté au système de refroidissement cryogénique et relié à la source de puissance RF.
Le 26 septembre, devant la direction technique ESS, les premiers champs accélérateurs au cycle utile ESS s’affichaient en salle de contrôle. Aux limites de technologies, c’est la première fois qu’un champ accélérateur aussi intense, maintenu sur des durées de pulse aussi longues et avec une puissance RF aussi importante, est mesuré dans des cavités supraconductrices qui sont pleinement équipées et installées dans un cryomodule.

Le 26 novembre : dernière journée de la campagne de tests en RF de puissance; 2 cavités sont alimentées simultanément en puissance RF et atteignent chacune le champ accélérateur ESS.

Contacts: Florence Ardellier, Pierre Bosland

#4543 - Màj : 24/01/2019

Département d'Ingénierie des Systèmes

Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers