Nouvelles du LS2 : un bond pour l’accélération du SPS

Feb 22, 2019

Les grandes manœuvres ont également commencé dans le Supersynchrotron à protons (SPS). Une opération majeure porte sur l’amélioration du système d’accélération de l’accélérateur. « Les faisceaux du LHC à haute luminosité auront une intensité deux fois plus élevée, ce qui nécessite une puissance radiofréquence accrue », explique Erk Jensen, le chef du groupe Radiofréquence (BE-RF). L’un des volets du projet d’amélioration des injecteurs du LHC (LIU) est donc la remise à niveau du système d’accélération du SPS. 

Erk Jensen mène la visite dans l’immense bâtiment 870, juste derrière le Centre de contrôle du CERN sur le site de Prévessin, où règne une incroyable effervescence. Partout, des équipes retirent des câbles, dévissent des composants, extraient des modules électroniques. Au cours de cette première phase du long arrêt technique, le démontage est en effet l’une des principales activités. Pas moins de 400 km de câbles sont par exemple à retirer aux points 3 et 5 du SPS. 

Dans les grands halls, on découvre les imposantes installations de convertisseurs et d’amplificateurs de puissance qui alimentent les cavités accélératrices radiofréquence (RF) du SPS. Les amplificateurs utilisent une technologie de tubes électroniques datant des années 70 et 80, le SPS ayant été mis en service en 1976, avant d’être transformé en collisionneur proton-antiproton en 1981. Deux systèmes de tubes cohabitent, chacun produisant une puissance de 2 mégawatts. 

Pour fournir la puissance nécessaire au LHC à haute luminosité, une équipe du groupe RF, dirigée par Eric Montesinos, a développé avec l’entreprise Thales Gérac un nouveau système faisant appel à des amplificateurs à transistors, similaires à ceux développés récemment pour les synchrotrons SOLEIL et ESRF. Les transistors sont assemblés par quatre sur des modules qui fournissent 2 kilowatts, une puissance bien moins élevée que celle produite par les tubes électroniques (entre 35 et 135 kilowatts). Mais au total, 2 560 modules, soit 10 240 transistors, seront répartis dans 32 tours. Les puissances de 16 tours seront combinées via un combineur de puissance RF. L’ensemble pourra fournir une puissance RF de deux fois 1,6 mégawatts aux cavités.

 « Ce système offre une plus grande flexibilité car la puissance est distribuée sur des milliers de transistors, observe Eric Montesinos. Si quelques transistors cessent de fonctionner, la RF ne sera pas stoppée, tandis que lorsqu’un tube tombe en panne, il faut intervenir rapidement. » Par ailleurs, il est plus simple de changer un module. D’autant que les tubes électroniques de cette gamme de fréquence appartiennent à une espèce en voie de disparition : le domaine des accélérateurs est parmi les derniers à les utiliser. 

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Les cavités accélératrices du SPS sont extraites du tunnel de l'accélérateur. Elles seront améliorées en surface avant d'être rassemblées et remises en place l'an prochain. (Image : Maximilien Brice/CERN)

Le développement du système d’amplificateurs à transistors a démarré en 2016. Une équipe du groupe RF a travaillé en collaboration avec des scientifiques de Thales Gérac et de nombreux essais et aménagements ont dû être réalisés. L’électronique de puissance est en effet soumise à des effets thermomécaniques importants. La technique d’assemblage des transistors sur la plaque du module s’est avérée par exemple très ardue à mettre au point. Après plusieurs dizaines de prototypes complexes, les travaux ont finalement abouti l’an passé : la première tour abritant 80 modules à transistors a fonctionné pendant 1000 heures, passant les tests de validation en août. Un beau succès qui a permis de lancer la production de série, tandis que les essais se poursuivaient.

Les structures, c’est-à-dire les 32 tours, ont déjà été installées dans une nouvelle salle, lui donnant une allure de décor de science-fiction. Une seule d’entre elles est pour l’instant équipée de ses modules de puissance RF, laissant augurer l’aspect encore plus futuriste que prendra la salle dans quelques mois. Les modules seront livrés à partir de mai et jusqu’à la fin de l’année ; tous seront testés sur un banc spécialement conçu à cet effet avant de rejoindre leur tour. Un travail de fourmi attend les équipes qui installeront tous les modules. 

Parallèlement, les cavités ont été extraites du tunnel. Le SPS compte quatre cavités à 200 MHz, dont deux formées de quatre sections, et deux de cinq sections, chaque section mesurant quatre mètres. « Pour accélérer des faisceaux plus intenses, il faut réduire la longueur des cavités afin de conserver un champ électromagnétique suffisamment élevé sur toute la longueur », explique Erk Jensen. Les équipes vont par conséquent réassembler les sections de façon à former six cavités : deux de quatre sections et quatre de trois sections. 

Le système de contrôle des faisceaux est également en cours de remplacement. La cage de Faraday, qui abrite les racks électroniques de contrôle des faisceaux, a été entièrement vidée pour être équipée d’une électronique dernier cri et d’une nouvelle infrastructure (refroidissement et ventilation, éclairage, entre autres). Enfin, un système plus performant pour amortir les résonances parasites sera installé ; testé au cours de la dernière exploitation, il est basé sur des coupleurs HOM (higher order modes)

Les équipes doivent tenir un calendrier serré, avec tous les démantèlements et le début des installations en 2019, et de nombreux tests et mises en service en 2020.


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