Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Le besoin de grands accélérateurs très performants et plus économes en énergie a conduit à multiplier l'utilisation de matériaux supraconducteurs, notamment pour la fabrication des cavités radiofréquences destinées à accélérer les particules chargées. Nous décrivons ici les spécificités de l'accélération de particules chargés par des cavités radiofréquences supraconductrices : rappel sur l'accélération des particules chargées, performances et limites des cavités supraconductrices, environnement spécifique.
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The need ofhighly performing accelerators with more efficient power consumption led to the increase of the use of superconductors in accelerator technologies, in particular for the fabrication of radiofrequency accelerating cavities. We describe here the specificity of charged particles acceleration with superconducting radiofrequency cavities: basics of particle acceleration, performance and limits of superconducting cavities, specific environment?
Auteur(s)
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Claire ANTOINE : Ingénieure-chercheuse à l'Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers - CEA-Saclay
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Juliette PLOUIN : Ingénieure-chercheuse à l'Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers - CEA-Saclay
INTRODUCTION
L'utilisation de cavités supraconductrices a permis d'améliorer les performances des accélérateurs de particules. On retrouve cette technologie en recherche fondamentale et appliquée, mais aussi dans le domaine médical et industriel : grands accélérateurs pour la physique nucléaire et des particules, sources de lumière synchrotron ou lasers à électrons libres, sources de protons et de neutrons. Des applications sociétales importantes (par exemple l'hadronthérapie, la transmutation des déchets nucléaires...) sont en cours de développement.
Un accélérateur est principalement constitué :
-
d'un injecteur. Il s'agit d'une source de particules chargées (électrons protons, ions) et mise en forme du faisceau ;
-
d'éléments capables de produire un champ magnétique pour dévier et/ou focaliser la trajectoire des particules ;
-
d'éléments capables de générer un champ électrique pour accélérer les particules.
La supraconductivité est de plus en plus utilisée aussi bien pour la fabrication des électroaimants utilisés pour dévier les faisceaux [D 590] que pour la fabrication des cavités radiofréquences (RF) qui génèrent les champs électriques nécessaires à l'accélération des particules. En effet, l'usage de matériaux supraconducteurs permet de diminuer considérablement les dissipations thermiques dues à l'effet Joule. Dans de nombreuses applications, le gain en rendement et/ou sur la taille de la machine l'emporte considérablement sur les investissements supplémentaires liés à la fabrication d'installations cryogéniques. Contrairement aux cavités en cuivre, les cavités supraconductrices peuvent fonctionner en champ radiofréquence continu et avec des champs accélérateurs élevés.
La conception d'un accélérateur dépend des applications souhaitées ; il y a deux grandes catégories d'accélérateurs. Dans les machines circulaires, le faisceau repasse plusieurs fois dans les éléments accélérateurs. Dans ce cas les points critiques sont essentiellement les champs magnétiques intenses nécessaires pour dévier le faisceau et les dissipations dans les parois des cavités radiofréquences. Au contraire, dans les accélérateurs linéaires, où le faisceau ne passe qu'une fois, le point critique est le champ accélérateur qui doit être maximum.
Nous nous focaliserons ici sur les cavités radiofréquences et sur l'apport des matériaux supraconducteurs dans cette technologie.
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KEYWORDS
superconductivity | cryogenics | vacuum technics | radiofrequency acceleration
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Conclusion4. Appareillage lié aux cavités supraconductrices
4.1 Coupleur de puissance
Les cavités supraconductrices requièrent des hauts niveaux de puissance radiofréquence pulsée ou continue, qu'il faut être capable de produire et de transférer à l'intérieur de la cavité. La puissance radiofréquence est souvent produite par une source hyperfréquence de type klystron, puis acheminée par un réseau de guides d'ondes vers la cavité. Elle est ensuite transmise à la cavité par l'intermédiaire d'un coupleur de puissance, équipé d'une antenne dirigée vers l'intérieur de la cavité. Un schéma représentant les principales fonctions d'un coupleur de puissance est présenté figure 10. Le coupleur doit constituer une barrière entre le vide de la cavité et l'air (ou éventuellement tout autre gaz) présent dans les guides d'onde : l'étanchéité est assuré par une fenêtre en céramique, qui laisse passer le champ radiofréquence. Il constitue également la transition thermique entre la température ambiante (Tamb) et celle de la cavité (Tcryo) (quelques kelvins). Sa structure géométrique est adaptée à la fréquence de la cavité de manière à transmettre la puissance radiofréquence avec le minimum de réflexion.
HAUT DE PAGE4.2 Système d'accord en fréquence
La fréquence d'une cavité radiofréquence en fonctionnement peut être décalée par plusieurs phénomènes : vibrations extérieures, fluctuations de pression dans le bain d'hélium, forces de Lorentz dues à la pression de surface générée par un champ pulsé. Le rôle du système d'accord est donc de réaccorder la cavité à sa fréquence nominale durant son fonctionnement, en déformant les lignes de champ présentes dans la cavité. Cette déformation peut être réalisée en déformant mécaniquement – tout en restant dans son domaine élastique – la cavité (figure 11a ), ou bien en y insérant un élément ajustable perturbant pour le champ radiofréquence (figure 11b ). Les systèmes d'accordage doivent...
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Appareillage lié aux cavités supraconductrices
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - HOLTKAMP (N.) - Status of the SNS project. - In Proceedings of the Particle Accelerator Conference. Oak Ridge, TN, USA : IEEE (2003).
-
(2) - OLRY (G.) et al - Recent developments on superconducting beta 0.35 and beta 0.15 spoke cavities at IPN for low and medium energy sections of proton linear accelerators. - In Proceedings of the EPAC (2004).
-
(3) - ORSINI (F.) et al - Progress on the SRF linac developments for the IFMIF-LIPAC project. - IPAC (2013).
-
(4) - BERNAUDIN (P.) et al - Design of the low-beta, quarter-wave resonator and its cryomodule for the SPIRAL2 project. - In EPAC (2004).
-
(5) - BRINKMANN (R.) et al - TESLA technical design report part II : the accelerator. - DESY-01-011B (2001).
-
(6) - DEVANZ (G.) - Cryomodules with elliptical cavities for ESS. - In SRF 2013, Paris, France (2013).
- ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Le site « Joint Accelerator Conferences Website » publie l'ensemble des conférences sur les accélérateurs de particules. Parmi les proceedings de conférences archivés sur ce site, les conférences SRF (International Conférence on RF Superconductivity) y sont rassemblées depuis la première édition en 1980. On y trouve tous les détails sur la rechercher et développement et les progrès récents sur les cavités supraconductrices et leur environement http://www.accelconf.web.cern.ch/accelconf/
Laser à électrons libre XFEL http://www.xfel.eu
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