Réduire les pertes de faisceau grâce à des cristaux

« Si vous placez un gros rocher au milieu d’un cours d’eau, vous pouvez protéger ce qui est en aval. C’est plus ou moins la même chose avec les cristaux et un faisceau de particules, explique Francesco Velotti, physicien appliqué au sein du département Systèmes d’accélérateurs (SY). La technique de protection par cristaux est utilisée avec succès au Supersynchrotron à protons (SPS) depuis 2021 et entre à présent dans une nouvelle phase, avec la récente installation d’un système amélioré composé de trois cristaux, prêt à être testé au SPS.

Le SPS, dernier injecteur de la chaîne d’injection du Grand collisionneur de hadrons (LHC), fournit également des faisceaux de protons aux expériences avec cible fixe de la zone Nord. Les faisceaux de protons sont extraits du SPS par un processus appelé « extraction lente ». Comme son nom l’indique, l’extraction lente consiste à extraire le faisceau à intervalles éloignés, en produisant des impulsions de particules prolongées, condition essentielle pour les expériences à cible fixe qui nécessitent des flux de particules stables et uniformes.

L’extraction lente, cependant, a un inconvénient de taille. En effet, elle entraîne plus de pertes de faisceau que l’extraction rapide, ce qui augmente les dommages causés aux éléments qui composent les accélérateurs. L’un des éléments les plus exposés est le septum électrostatique, élément crucial qui sépare le faisceau circulant du faisceau extrait. Les pertes de faisceau dans cette région sont particulièrement problématiques, car elles restreignent l’accessibilité à des fins de maintenance et créent des contraintes pour l’exploitation à long terme.

Pour remédier à ce problème, une équipe d’experts du département SY (SY-ABT, SY-BI et SY-STI), aidés du département Faisceau (BE) (BE-CEM), a mis au point et installé un système à base de cristaux pour éviter les pertes de faisceau. Une fois insérés dans le faisceau, les cristaux de silicium courbés agissent comme un bouclier ou un masque protecteur pour le septum. Le positionnement des cristaux peut être ajusté à distance en fonction des conditions du faisceau. Ce dispositif a été créé dans le cadre du projet DECRYCE (DEvelopment of CRYstals for Collimation and beam Extraction), lancé en 2022 pour travailler sur l’ensemble du cycle de recherche et développement autour des systèmes à cristaux au CERN, depuis la conception et l’ingénierie des dispositifs produisant la courbure des cristauxjusqu’aux bandes de silicium, à l’assemblage des systèmes à cristaux et à la validation expérimentale.

« Le principe de ce dispositif de protection repose sur l’alignement précis d’un cristal fin et courbé, qui permet de dévier une portion du halo de particules en l’éloignant des éléments sensibles, explique Luigi Esposito, physicien appliqué du département SY. Des simulations détaillées de dynamique des faisceaux ont été utilisées pour la conception de ces systèmes à cristaux ; elles sont soigneusement comparées aux mesures de faisceaux réels pour valider leur performance et évaluer les éventuels bénéfices opérationnels. »

« Nous avons installé le premier prototype – un système comportant un seul cristal de silicium – dans le SPS en 2021. Il en est résulté une réduction de 50 % des pertes de faisceau, à la fois dans les campagnes de mesures dédiées et dans en conditions opérationnelles, pour lesquelles un système de contrôle fondé sur l’IA a permis d’assurer un fonctionnement fiable, confirmant les simulations », indique Francesco Velotti.

Le système complet, qui comporte trois cristaux de silicium courbés, a été installé au SPS en janvier et entre à présent dans sa vase de validation opérationnelle, alors que la phase de mise en service du faisceau vient de s’achever au SPS.

La réduction des pertes de faisceau est une condition essentielle à la réalisation de la future génération d’expériences à cible fixe. Compte tenu de l’augmentation prévue de l’intensité des faisceaux de protons requis pour SHiP et le projet High-Intensity ECN3 (HI-ECN3), il est vital de protéger les composants, et d’assurer ainsi une exploitation sûre et fiable à long terme de l’infrastructure du SPS.

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Pour en savoir plus, veuillez consulter l’article scientifique (en anglais) : Demonstration of non-local crystal shadowing at the CERN SPS.