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Un nouveau système d’accélération pour le Booster du PS

La première des 28 cavités radiofréquence pour le nouveau système d’accélération de l’injecteur du PS est fin prête

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Un nouveau système d’accélération pour le Booster du PS

Mauro Paoluzzi (à gauche), le chef du projet du nouveau système radiofréquence du PS Booster, devant la première cavité radiofréquence terminée. (Image : Maximilien Brice/CERN)

Le rajeunissement du complexe d’accélérateurs progresse dans les ateliers du CERN. L’un des grands projets du programme LIU (LHC injector upgrade), qui vise à mettre à niveau la chaîne d’injecteurs du LHC pour le LHC à haute luminosité, est le remplacement complet du système d’accélération de l’injecteur du PS (le Booster du PS), deuxième maillon de la chaîne d’accélération. Début juin, les équipes ont fêté une étape importante : la fin de l’assemblage de la première cavité accélératrice de nouvelle génération. Vingt-sept autres sont en cours de fabrication. Durant le second long arrêt technique, en 2019-2020, elles seront installées dans l’accélérateur. Ainsi équipé, le Booster du PS pourra accélérer des faisceaux de plus haute intensité à plus haute énergie, jusqu’à 2 GeV contre 1,4 GeV aujourd’hui. Parallèlement, il sera connecté au tout nouveau Linac 4.

Le nouveau système d’accélération du Booster du PS repose sur des cavités radiofréquence faisant appel à un matériau magnétique composite dénommé FineMet et mis au point par l’entreprise japonaise Hitachi Metals. « Le grand intérêt de ce matériau est de permettre aux cavités d’offrir une bande passante très large, de 0,6 à 18 MHz, explique Mauro Paoluzzi, chef du projet. Une même cavité permet de couvrir  toutes les bandes de fréquence nécessaires ! » Dans un accélérateur circulaire, à basse énergie, les fréquences des cavités accélératrices doivent augmenter avec la vitesse des particules. Le système radiofréquence sert également à effectuer toutes sortes de manipulations du faisceau, nécessitant un élargissement de la gamme de fréquences utilisées. Dans le Booster du PS, trois systèmes différents de cavités à ferrites remplissent actuellement cette mission pour couvrir les fréquences de 0,6 à 18 MHz. Les nouvelles cavités couvrent toute la gamme.

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L'une des nouvelles cavités pour le Booster du PS en cours d'assemblage. Ces cavités seront installées au cours du deuxième long arrêt technique en 2019-2020. (Image : Maximilien Brice/CERN)

Le projet a démarré en 2012 dans le cadre d’une collaboration avec l’institut KEK. Le laboratoire japonais avait alors déjà développé des cavités large bande pour KEK et J-PARC et coopérait avec Hitachi Metals pour le développement d’alliages magnétiques pour les accélérateurs. KEK a financé 132 des 340 disques magnétiques qui forment le cœur des nouvelles cavités du Booster du PS, et a assuré le contrôle des composants livrés.

La technologie a été testée intensivement au CERN. « Une cavité de type similaire a été installée pour la première fois au CERN en 2004 sur le LEIR, l’anneau d’ions de basse énergie, explique Mauro Paoluzzi. Mais nous souhaitions réaliser un test en conditions réelles sur le Booster du PS. »  Deux cavités ont donc été installées en 2014 sur l’un des quatre anneaux du Booster du PS et testées en 2015. Suite à ces essais concluants et au rapport rendu par un groupe international d’experts indépendants, la direction du CERN a donné son feu vert pour les utiliser.

Les cavités sont couplées à de nouveaux amplificateurs de puissance à l'état solide fabriqués en Espagne. Une électronique bas niveau très performante a été développée au CERN et permet d’exploiter pleinement le potentiel du système. Les chambres à vide sont fabriquées en Allemagne, tandis que les autres composants proviennent de France, du Danemark, du Royaume-Uni, de Turquie et de Slovaquie. Les équipes ont commencé l’assemblage des vingt-sept autres cavités. Tous les composants seront livrés au CERN d’ici à la fin de l’année.