Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
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)
-
Claire ANTOINE : Ingénieure-chercheuse à l'Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers - CEA-Saclay
-
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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Supraconductivité pour les cavités radiofréquences
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2. Cavités radiofréquences
Les cavités radiofréquences sont des résonateurs qui permettent de stocker de l'énergie électromagnétique. La composante électrique de ce champ sur l'axe de la cavité permet d'accélérer un faisceau de particules chargées qui la traverse.
Les cavités sont elles-mêmes alimentées par des coupleurs qui leur transmettent l'énergie des sources radiofréquence (Klystron, Inductive Output Tube...) [E 1 620].
Une cavité possède plusieurs modes de résonance, dont le mode fondamental de fréquence f.
2.1 Accélération par des cavités radiofréquences
Les particules traversent une cavité résonante, aux parois métalliques, dans laquelle oscille un champ électromagnétique à une fréquence f. Ce champ a une composante électrique sur l'axe de la cavité, le long duquel les particules se déplacent. Ces particules ont été préalablement regroupées en paquets, de façon à ce que chaque paquet traverse la cavité quand le champ (alternatif) est dans le sens accélérateur. Ce principe est illustré à la figure 2 représentant deux paquets de particules, notés A et B, traversant une cavité multicellules résonant à la fréquence f = 1/T. Les lignes de champ électrique sont représentées dans la cavité, qui a une symétrie axiale autour de l'axe z. Le mode représenté sur la figure 2 est le mode π de la cavité (le champ change de signe d'une cellule à sa voisine). Les particules, ici de charge positive, sont accélérées lorsque le champ sur l'axe est positif, c'est-à-dire dans les cellules 1 et 3 à l'instant t0 et dans les cellules 2 et 4 à l'instant t0 + T/2 (une demi-période plus tard).
L'accélération radiofréquence nécessite donc une synchronisation entre la distance L entre deux cellules,...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - HOLTKAMP (N.) - Status of the SNS project. - In Proceedings of the Particle Accelerator Conference. Oak Ridge, TN, USA : IEEE (2003).
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(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).
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(3) - ORSINI (F.) et al - Progress on the SRF linac developments for the IFMIF-LIPAC project. - IPAC (2013).
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(4) - BERNAUDIN (P.) et al - Design of the low-beta, quarter-wave resonator and its cryomodule for the SPIRAL2 project. - In EPAC (2004).
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(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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