Testing linear accelerators of industrial partners
Since 2012, the LPSC accelerator group provides a dedicated room for the commissioning of intense electron linear accelerators designed by an industrial partner (PMB). These machines are developed to generate high doses of X rays (up to 30 Gy/min).
Therefore, the commissioning phase of these accelerators requires a large shielding, which is currently not available on the partner’s site.
The bunker of the SARA cyclotron (accelerator stopped in 1997) supplies shielded rooms, well adapted to operate these intense accelerators. The SARA bunker has been converted to allow the installation and operation of the electron machines. Since then, several accelerators have been installed in the bunker for the commissioning tests.
Linear electron accelerators under test in the SARA cyclotron bunker
Thesis CIFRE in collaboration with Thomson Tubes and Displays
From 2004 to 2007, a PhD thesis was supervised at LPSC on behalf of Thomson Tubes and Displays (Genlis, France). The aim of the studies was to model and understand deeply the beam physics in electron guns for television tubes. As a result of these studies, a measurement of the beam characteristics (emittance) was performed. The studies allowed developing semi-analytic models able to reproduce the characteristic trend of "current vs tension” of electron guns and to understand the beam formation.
The SPIRAL2 (Second Generation System On-Line Production of Radioactive Ions) facility will produce light and heavy exotic nuclei at high intensities by the ISOL (Isotope Separation On-Line) method.
SPIRAL2 wil continue investigations undertaken with SPIRAL1 and will provide better insight into the table of nuclides, thereby fostering the discovery of new properties of matter.
SPIRAL2 will produce deuterons (D+) beams up to 5 mA and 40 MeV, protons (H+) beams between 0.15-5 mA and 0.75 - 40 MeV and heavy ions (q/A=1/3) up to 1 mA and 14.5 MeV/nucleon. These beams will bombard different target and the resulting reactions, such as fission, transfer, fusion, ... will generate billions of new nuclei.
SPIRAL2 consists of two ECR sources (Electronic Cyclotron Resonance) to create the beam; an RF accelerating structure made of copper called radiofrequency quadrupole (RFQ) which gives the first acceleration to the beam and bunches the beam into particle buckets; the beam transport lines and the superconducting linear accelerator (linac) operating at a cryogenic temperature (as low as -269°C). The linac is composed of 26 superconducting cavities (Eacc = 6.5 MV/m @ D+) to accelerate the beam. Each cavity is coupled to a RF power amplifier via a RF power coupler. Our group is responsible for these RF couplers.
Couplers are designed at 88.05 MHz to transfer the power from the amplifiers to the cavities. This power reaches 14 kW for the D+ (5 mA for 6.5 MV/m in a gap of 0.41 m) in continuous wave (in SPIRAL2, the beam run continuously even if the linac can operate in pulsed mode too). The coupler ensure vacuum tightness between the secondary vacuum of the accelerator and the atmospheric pressure by a ceramic window. In addition, the Joule power dissipation must be carefully handled to avoid thermal overload on the superconducting cavities.
In cooperation with the mechanics service (SERM), two different types of ceramic geometry, cylindrical and disc, were investigated in terms of radio-frequency, thermal and mechanical studies. Two prototypes, one for each of these geometries, were built, controlled and tested. Tests included the RF measurement of the transmission and reflected power, the measurement of voltage and current of the coupler until 40 kW continuous wave (CW) and the RF conditioning perfomed to decrease the multipactor effect (electron emission) while maintaining non-harmful currents to the coupler. The test results for the two coupler designs were similar. Finally, the coupler based on a ceramic disc was chosen as it enables easier implentation of diagnostics, such as vacuum gauge and electron pickup antenna to monitor multipactor. To prepare the series of couplers at LPSC, a dedicated test facility was developped (40 kW CW 88.05 MHz amplifier, circulators,...) and a clean room (ISO7) was implemented as the cleanliness of the coupler surface is critical to reach high accelerating field (6.5 MV/m). The RF condtionning process was automated by the electronics and computing services. The preparation protocol was studied to optimize the coupler surface and cleanliness prior to introduction in the superconducting cavities.
The series of the 28 couplers (including spares) is ongoing and is expected to be completed in June 2014.
The goals of RACCAM were :
- To contribute to theoretical studies and to on-going internal R&D activities concerning FFAGs, and to the project of an electron model of a non-scaling FFAG based in Europe.
- To develop within our laboratories a prototype of a non-linear FFAG magnet.
- Studying the use of FFAG synchrotrons in the medical domain, in view of the radiological traitment of tumours.
Le LPSC a assuré la charge de la réalisation de l'arrêt faisceau d'IPHI. Cet accélérateur linéaire produira un faisceau de protons de 100 mA CW, accélérés à 3 MeV au moyen d'un RFQ. Les 300 kW du faisceau seront stoppés sur un cône de nickel, ce qui permettra d'étaler la densité de puissance déposée. Ce cône sera refroidi au moyen d'un système de circulation d'eau. Le cône sera lui-même isolé de l'extérieur au moyen d'un blindage en plomb. Le système de refroidissement (skid) est en cours de conception et de réalisation.
Le SERM (Service d'Etudes et de Réalisations Mécaniques) assure la réalisation du bloc d'arrêt faisceau de l'expérience ayant comme dimensions caractéristiques un diamètre de 250 mm pour une longueur a dû répondre à des exigences de performances (puissance à dissiper élevée) et de sécurité (faible activation des matériaux pour laquelle, suite à des essais d'activation sous faisceau, le nickel a été retenu, circuit d'eau pressurisé, etc.).
Le dimensionnement thermomécanique du bloc d'arrêt proprement dit, a été effectué à l'aide de simulations numériques analytiques et en éléments finis. Le SERM a défini la géométrie et les débits d'eau de refroidissement permettant d'obtenir des températures de fonctionnement raisonnables. La tenue mécanique de l'ensemble a été validée.
Cet ensemble est en phase de fabrication sur décembre 2005 - janvier 2006.
Il sera installé à Saclay en milieu d'année 2006, puis transféré au CERN.
La vocation du programme CARE (Coordinated Accelerator Research in Europe) du 6ème PCRD est de promouvoir les activités R&D accélérateurs pour les futurs projets de la physique des hautes énergies. L'activité de recherche associé HIPPI couvre l'un des thèmes majeurs de CARE qu'est le développement des injecteurs de protons pulsés de haute intensité. Le LPSC est impliqué dans deux lots de travaux :
- Lot numéro 2 (WP2) : structures accélératrices non suproconductrices ;
- Lot numéro 5 (WP5) : dynamique de faisceau et conception d'accélérateurs linéaires.
En outre, le SA assure la coordination du lot de travaux numéro 2 (IAP-Franckfort, CERN, CEA, LPSC, Rutherford Laboratory).
Dans le cadre d'HIPPI, le laboratoire collabore avec le CERN pour les études d'un injecteur futur pour le LHC, LINAC 4, qui doit produire et accélérer un faisceau pulsé de protons de 65 mA (crête) jusqu'à 160 MeV. Sa conception actuelle s'articule en trois étages :
- un ensemble de production, pré-accélérer et mise en forme du faisceau (projet IPHI),
- un accélérateur linéaire à 352 MHz, qui amène le faisceau de 3 à 90 MeV,
- un accélérateur linéaire à 704 MHz, pour atteindre 160 MeV.
L'accélérateur linéaire est réalisée par une structure à tubes de glissement (Drift Tube Linac, ou DTL) de type Alvarez pour la basse énergie, suivie d'une structure à couplage par cellule (CCDTL) plus adaptée à la haute énergie. L'accélération finale à 704 MHz est assurée par une structure à couplage latéral (SCL).
Dynamique de faisceau (work package 5)
En vue de la construction prochaine du DTL, le LPSC a étudié les dégradations induites sur les propriétés du faisceau par des erreurs d'alignement mécanique et des erreurs sur le champ accélérateur de la structure. Les calculs de transport particulaire sont effectués avec le code Tracewin (CEA-Saclay). Les pertes de particules tolérables étant extrêmement faibles (~ 1 W/m), il est indispensable d'effectuer les simulations de transport de faisceau avec une grande précision. Pour cela, un travail préliminaire d'optimisation des paramètres d'utilisation du code a été entrepris dans les conditions de LINAC 4. Ce travail a mis en évidence certains artéfacts de la modélisation du faisceau et a défini les paramètres du code à employer pour les calculs de dynamique de faisceau au sein de la collaboration. Le grossissement de l'émittance du faisceau et la fraction de particules perdues lors du transport dans la structure du DTL ont été simulés pour chaque type d'erreur indépendamment. Ceci a permis de définir les tolérances sur l'alignement mécanique des tubes de glissement ainsi que sur le champ radiofréquence. Des simulations globales pour lesquelles tous les types d'erreurs furent appliqués simultanément sur la structure ont été effectuées pour valider les tolérances individuelles et estimer l'abondance totale de pertes particulaires attendues. Le budget des tolérances ainsi établi a été accepté par la collaboration puis transmis aux partenaires en charge de la fabrication du DTL. En outre, le schéma de focalisation de la structure doit être déterminé. Pour cela, une analyse comparative de trois schémas de focalisation différents a été menée. La sensibilité des paramètres du faisceau a été étudiée pour un DTL utilisant une focalisation de type FODO, de type FFDD et une focalisation hybride (FODO + FFDD). L'analyse finale des résultats est en cours.
Les études d'erreur se poursuivent sur le CCDTL et le SCL en vue d'obtenir les tolérances mécaniques et RF de l'ensemble complet d'accélération linéaire.
Radio-fréquence (work package 2)
Réalisation d'un port de couplage pour le DTL
Le couplage de la puissance radio-fréquence sera effectué par guide d'onde. Sur une conception réalisée par le CEA Saclay, et en relation étroite avec le CERN, le LPSC travaille sur la conception mécanique, thermique et la réalisation de ce système, qui sera constitué d'un guide d'onde demi-hauteur de longueur ajustable. La réalisation est prévue pour 2006.
Cavités à couplage latéral (SCL)
Dans la gamme 90-160 MeV, la structure dite à cavités à couplage latéral en cuivre massif à 704 MHz est une structure avantageuse pour des faisceaux de protons de cycle utile inférieur à 15 %. Les pertes Joule demeurent raisonnables (bonne impédance shunt) et le mode accélérateur présente une sensibilité réduite aux imperfections de réalisation.
Les objectifs de l'étude sont :
- de concevoir les cavités du point de vue radio-fréquence, selon un cahier des charges donné (champ, facteur de qualité, fréquence, coefficient de couplage) ;
- de mener les études de thermique pour définir le système de refroidissement ;
- de réaliser une maquette dite technologique, à trois cellules, pour des tests d'assemblage et de brasure ;
- de réaliser une maquette aluminium (une dizaine de cellules), pour valider la conception radio-fréquence, mesurer les paramètres obtenus et définir les procédures de réglage.
Le premier objectif a été réalisé par une collaboration CERN/LPSC. Des études théoriques complémentaires ont permis de définir les tolérances admissibles pour garantir une bonne uniformité de champ de cavité à cavité. En particulier, un facteur de couplage de 3 % a été choisi, qui offre un bon compromis entre facteur de qualité élevé et insensibilité aux défauts.
Les études de thermique et de déformation ont permis de définir un système de refroidissement. Elles ont montré qu'on ne saurait dépasser 15 % de cycle utile.
La réalisation du prototype aluminium est prévue au LPSC pour 2006. Le modèle technologique sera réalisé en Russie (collaboration avec l'ISTC (International Sciences & Technology Center)).
Les procédures d'ajustement seront effectuées au moyen d'un système perturbatif : une bille diélectrique introduite dans une cavité perturbe la fréquence de résonance de l'ensemble d'une quantité proportionnelle au carrré du champ accélérateur. On peut ainsi ajuster le champ au pour cent près. Deux méthodes ont été étudiées : par asservissement de fréquence et par mesure directe à l'analyseur de réseau, sur un banc prototype et un ensemble tri-cellule sommaire.
Coordination du lot de travaux numéro 2
Cette activité consiste à organiser les réunions de la collabroation, notamment lors des comités scientifiques, à collecter et synthétiser les rapports d'activité (2 par an) en reportant au coordinateur général d'HIPPI).
En outre, le service accélérateur est responsable du site internet des lots de travaux 2 et 3.