Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme

Le Laboratoire d’ingénierie des systèmes accélérateurs et des hyperfréquences (Lisah) regroupe les compétences du DACM en conception, réalisation et tests de qualification de composants d’accélérateurs à haute fréquence et leur mise en œuvre avec une instrumentation appropriée. Il compte, fin 2020, 16 ingénieurs et 3 techniciens.

Les activités du laboratoire concernent principalement le développement des structures fonctionnant en hyperfréquence pour les accélérateurs de particules utilisés en physique (quadripôle à radiofréquence, cavités supraconductrices, coupleurs de puissance et d’évacuation des modes harmoniques supérieurs), ainsi que leurs outils de qualification (sources de puissance RF et les systèmes électroniques  associées). Il assure également la gestion de certains des moyens communs du DACM qui lui sont rattachés, à savoir les plateformes d’essais RF SupraTech-CryoHF pour les tests de cavités en cryostat vertical et de cryomodules ESS et SARAF, et la plateforme 352 MHz articulée autour du RFQ IPHI. Les activités du LISAH peuvent également s’étendre à d’autres domaines d’application des hyperfréquences, comme les antennes pour l’imagerie médicale par résonance magnétique à haut champ ou des antennes pour la détection d’axions en physique des particules.

Dans ses missions, le Lisah s’appuie notamment sur des expertises internes à l’Irfu en sciences des matériaux, génie des procédés, construction mécanique et assurance qualité. Il met ses compétences au service des projets de l’Irfu, soit en prenant en charge la responsabilité d’un lot complet, soit en fournissant une expertise technique.

Le Laboratoire d’intégration et de développement des cavités et des cryomodules (LIDC2) se focalise sur l’amélioration des performances des cavités accélératrices supraconductrices et leur intégration au sein de cryomodules. L’expertise du LIDC2 en terme d’intégration de cavités supraconductrices l’amène à être impliqué sur de multiples projets d’accélérateurs internationaux nécessitant la production de nombreux cryomodules tels que ceux des projets ESS, IFMIF ou SARAF. Pour mener à bien ces projets, le LIDC2 dispose d’une infrastructure conséquente : 3000 m² de halls d’assemblage dont 300 m² de salles blanches (ISO7, ISO5 et ISO4), des stations de traitement chimique visant à parfaire l’efficacité des cavités (propreté, état de surface) et un ensemble de laboratoires de support technique (vide, électrotechnique, caractérisation des matériaux). Un des savoir-faire principaux du LIDC2 réside dans sa capacité à concevoir et développer des cryomodules dont l’assemblage est compatible avec la stratégie de production choisie, cette dernière étant toujours validée via une phase de prototypage. Un deuxième savoir-faire important est la R&D nécessaire au développement des cavités accélératrices supraconductrices, où plusieurs axes complémentaires sont explorés : la R&D sur la chimie des cavités (électropolissage vertical, rinçage haute pression), la caractérisation (analyse des défauts de surface, magnétométrie locale, caractérisation des matériaux), et la R&D sur les multicouches avec des résultats très prometteurs en terme d’augmentation des performances des cavités.

Le Laboratoire d’Etudes des Aimants Supraconducteurs est constitué, fin 2020, de 6 techniciens, 20 ingénieurs, 4 étudiants en thèse, et 2 étudiants en alternance. Le laboratoire a pour mission d’assurer la mise en œuvre de matériaux supraconducteurs dans le cadre des différents projets du département et plus largement de répondre aux besoins de champs magnétiques des physiciens de l’Irfu.

Les compétences des équipes couvrent l’optimisation de la géométrie des bobines, la conception du conducteur, les calculs mécaniques, électromagnétiques et thermiques des aimants, leur protection en cas de défaut et enfin les mesures magnétiques finales requises pour valider le bon fonctionnement.

De plus, le LÉAS est en mesure d'assurer le management de grands projets, de prendre en charge la réalisation des aimants et leur intégration dans leur cryostat et d'assurer le suivi des réalisations industrielles de composants et de la fabrication d’aimants en série. Le contrôle des aimants est réalisé en collaboration avec le LCSE.

Les projets du laboratoire utilisent exclusivement des conducteurs en NbTi, en Nb3Sn et les supraconducteurs à haute température critique de type ReBCo. Le NbTi est principalement utilisé pour les grands aimants (IRM Iseult) ou pour des aimants produits en série dans l’industrie (solénoïdes SARAF, dipôles Super FRS). Le Nb3Sn et le ReBCo sont utilisés pour développer des aimants de plus de 12 T et satisfaire ainsi les demandes de très hauts champs magnétiques de laboratoires tels que le LNCMI (Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses) de Grenoble ou dans la perspective des futurs accélérateurs circulaires tels que le Futur Collisionneur Circulaire (FCC) en partenariat avec le CERN.

La mission du Laboratoire Cryogénie et Station d’Essais au sein du DACM est la maîtrise de la cryogénie à l’usage de la physique dans les domaines des aimants supraconducteurs, des cavités accélératrices, des détecteurs de physique (cibles cryogéniques, calorimètres) et de la production et distribution d’hélium liquide.

Pour ses propres développements et pour soutenir les plans de développements et de tests des projets, le laboratoire conçoit, construit et fait fonctionner plusieurs stations d’essais et de caractérisations mécaniques, thermiques (figure) et électriques sur des sous-ensembles cryogéniques complets (aimants dans leurs cryostats, cryomodules…) ou leurs composants de base (masse froide de bobines, cavités RF, instrumentation). Ces stations de taille et de nature très variées mettent en œuvre des moyens de réfrigération à basse température : réfrigérateur ou cryogénérateur utilisant les fluides suivants : l’hélium I et II, l’azote, l’argon, le néon ou l’hydrogène.

Des actions de R&D plus spécifiques sont menées sur l’étude et l’amélioration de systèmes de transfert thermiques à basse température (hélium II en milieu poreux, caloducs oscillants (PHP) avec différent gaz à température cryogénique, sur les écoulements diphasiques (thermosiphon en hélium I, en azote…), sur la thermohydraulique lors de « quench » dans les aimants et sur le développement de cibles cryogéniques en hydrogène liquide ou solide.

Le laboratoire compte, fin 2020, 16 ingénieurs, 2 thésards et 6 techniciens.

Le Laboratoire d’Etudes et de Développement pour les Accélérateurs conçoit, réalise, teste et exploite des dispositifs ou des outils de production, de transport, d’accélération, de diagnostic et de simulation de faisceaux de particules chargées.

Constitué au 31 décembre 2020 de 23 ingénieurs, 6 techniciens, 1 étudiant en thèse et 1 stagiaire, le LEDA travaille à la conception, à la réalisation, au montage, à la mise en service, aux tests, à l’optimisation et/ou à la simulation :

• de sources d’ions légers à haute intensité.
• de diagnostics des faisceaux et d’éléments interceptant le faisceau tels que des blocs d’arrêts ou des cibles.
• de lignes de transports de particules à basse ou moyenne énergie, incluant la simulation et le suivi de réalisation d’aimants chauds.
• de cavités accélératrices de type Quadripôle Radiofréquence (RFQ).
• d’accélérateurs et de collisionneurs pour la physique nucléaire et la physique des hautes énergies.

Les équipes du LEDA travaillent aussi au dimensionnement et à la définition des systèmes de mise sous vide, au test et à l’étuvage des équipements, à la validation de l’étanchéité des lignes faisceau, à la conception, la réalisation, l’opération et la maintenance des systèmes hydrauliques de refroidissement et à la R&D sur les accélérateurs laser-plasma.

Durant la période 2016-2020, le LEDA a également maintenu ou développé le Banc d’Etude et de Test des Sources d’Ions (BETSI), le laboratoire Diagnostics, Vide et Assemblages (DIVA) et un ensemble de codes de dynamique faisceau distribués sous licences.