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Une collaboration entre des chercheurs de l'Irig et du Grand accélérateur national d'ions lourds de Caen (Ganil) a permis de franchir un nouveau cap avec l'accélération d'un faisceau de protons continu d'une puissance de 16 kilowatts, record pour un accélérateur d'ions en France.
Le Grand accélérateur national d'ions lourds de Caen (Ganil) est l'un des plus grands laboratoires de recherche internationale qui étudie la physique du noyau, de l'atome et de la matière condensée. Il est constitué principalement d'un injecteur source de particules chargées, d'éléments produisant un champ magnétique pour focaliser la trajectoire des particules, et d'éléments qui produisent un champ électrique pour accélérer les particules. Comme la moindre fluctuation du champ électrique de l'accélérateur provoque des pertes de particules, il est primordial de contrôler très précisément la température et la pression dans la partie accélération afin d'obtenir le champ électrique le plus stable possible.
Le Ganil met en service Linac, un nouvel accélérateur linéaire supraconducteur (voir photographie) pour l'installation Spiral 2 (Système de Production d'Ions RAdioactifs en Ligne de 2ème génération). Dans Linac, l'accélération du faisceau est fournie par 26 cavités qui génèrent un champ électrique radiofréquence pour accroître l'énergie des protons.
Ces cavités sont refroidies à 4,5 K dans des bains d'hélium liquide de façon à utiliser les propriétés supraconductrices de leur matériau et minimiser considérablement les dissipations thermiques causées par l'interaction des particules avec le champ électrique intense. Ces cavités étant très sensibles aux variations de pression d'hélium, les chercheurs de l'Irig ont développé un modèle numérique du système cryogénique pour assurer la stabilisation de la pression d'hélium par un régulateur intelligent de type LQ (Linear Quadratic). Ce type de régulateur permet d'obtenir de meilleures performances qu'un régulateur classique de type PID (Proportionnelle, Intégrale, Dérivée).
La modélisation utilisée pour cette régulation s'appuie sur les outils de programmation spécifiquement développés par les chercheurs de l'Irig depuis une dizaine d'année, sous l'intitulé Simcryogenics. Ces outils permettent d'obtenir un modèle simplifié pour réguler la pression de la cavité et le niveau du bain d'hélium. La modélisation apporte également une meilleure compréhension des phénomènes physiques et permet ainsi de mieux contrôler et dépister d'éventuelles anomalies.
Le travail d'optimisation se poursuit avec le Ganil dans le but d'améliorer la modélisation et d'obtenir une régulation encore plus performante. Cette collaboration pluridisciplinaire contribue de façon marquante à la montée en puissance du nouvel accélérateur d'ions du Ganil.
Vue de l'accélérateur linéaire Spiral 2 avec douze cryo-modules conçus par le CEA-Irfu, intégrés et testés au Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme du CEA, et sept cryo-modules conçus par le CNRS.
© P.Stroppa CEA.
Le Grand accélérateur national d'ions lourds (Ganil) est l'un des laboratoire de l'Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers de Caen (Irfu).
Références:
Bonne F, Varin S, Vassal A, Bonnay P, Hoa C, Millet F and Poncet JM
Simcryogenics: A library to simulate and optimize cryoplant and cryodistribution dynamics.
IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2020.