Etudes de la stabilité mécanique des cavités supraconductrices et de la méthode de rigidification par projection thermique de cuivre
Résumé
Today's research in nuclear physics and in particle physics needs high energy or high intensity accelerators ; the use of superconducting cavities constitutes a very important technological advance for the design of such facilities, allowing high accelerating gradient with few dissipation. One of the major problems is the frequency shift under Lorentz forces: since the quality factor of the superconducting cavities is much higher than the external factor depending on the beam charge, their bandwidths are very narrow (several Hertz). Even very small mechanical deformations under Lorentz forces could induce a frequency shift which exceeds the bandwidth when the accelerating gradient becomes very high. The contribution of this thesis consists at first in a numerical analysis of this problem, then in a mechanical study of a new method for stiffening superconducting cavities: a copper coating over their external surface by thermal spray techniques. As it was a new experiment, the choice of the process and the optimization of the parameters have been carried out. An important part of this thesis has been dedicated to the systematic mechanical characterizations of the copper coatings since they are indispensable for the evaluation of the stiffening efficiency, some links between copper coating properties and thermal projection parameters have been established. The mechanical calculations are a prerequisite to obtain an effective reduction of mechanical deformations under Lorentz forces: they permit to localize the maximum deformations, to find the ideal position and the optimized shape of the stiffener. The methods implemented in this thesis allow to compare the different kinds of coating design and then to propose an interesting solution. Finally, an original approach concerning the frequency shift in pulsed mode has been developed recently, allowing to interpret some experimental observations.
La recherche en physique nécessite aujourd'hui des accélérateurs de haute énergie ou de forte intensité ; l'utilisation des cavités supraconductrices constitue un progrès technologique très important : elles permettent de fournir de hauts gradients accélérateurs avec une dissipation négligeable. Un des problèmes fondamentaux dans la conception de ces cavités est leur stabilité liée aux effets des forces de Lorentz : au fur et à mesure que la cavité se remplit d'énergie électromagnétique, les déformations de la cavité dues aux forces de Lorentz modifient sa fréquence de résonance, il faut un certain temps (constante mécanique) pour que les parois se déforment, l'amplitude RF s'écroule alors, puis la cavité tend à retrouver sa fréquence de résonance d'origine, le système peut devenir ainsi instable. La contribution de cette thèse consiste d'abord en une analyse numérique de ce problème, puis en une étude mécanique d'une nouvelle méthode de rigidification : un dépôt de cuivre réalisé sur les parois extérieures d'une cavité en niobium par projection thermique afin de réduire ses déformations dues aux forces de Lorentz. Comme il s'agit d'une expérience nouvelle, le choix du processus et une optimisation des paramètres de projection ont été réalisés. En particulier, un effort important a été consacrée aux caractérisations des matériaux et à l'analyse de leurs comportements, indispensables pour déterminer l'effet de rigidification grâce au dépôt. Certains liens entre les propriétés du dépôt et les paramètres de projection ont pu ainsi être établis. Les calculs ont permis ensuite de localiser les déformations maximales, puis de trouver l'emplacement idéal et la forme optimale du renfort. Plusieurs façons de réaliser le dépôt ont été étudiées afin de proposer une solution intéressante. Enfin, une approche originale des phénomènes de décalage en fréquence en mode pulsé a été développée, elle a permis d'interpréter certaines observations expérimentales.
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