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.