Etude d'une cavite accélératrice supraconductrice Spoke pour les accélérateurs de protons de forte intensité
Résumé
Since a few years, a lot of projects (especially dedicated to transmutation, radioactive beams production, spallation neutron sources or neutrinos factories) are based on high power proton linear accelerators. It has been demonstrated, thanks to their excellent RF performances, that superconducting elliptical cavities represent the best technological solution for the high energy part of these linacs (proton energy from typically 100 MeV). On the contrary, between 5 and 100 MeV, nothing is clearly settled and intensive studies on low-beta cavities are under progress. The main objective of this thesis deals with the study of a new low-beta cavity, called "spoke", which could be used in the low energy part of European XADS and EURISOL accelerators projects. A complete study of a beta 0.35 spoke cavity has been done: from its electromagnetic and mechanical optimization to warm and, above all, cold experimental tests: an accelerating field of 12.2 MV/m has been reached at T=4.2 K, that is to say one of the best value among the spoke cavities performances in the world. It has been shown that the specific ratio of a third, between the spoke bar diameter and the cavity length, led to optimize the surface electromagnetic fields. Moreover, spoke cavities can be used without any trouble, in the low energy part, due to their good rigidity. The experimental measurements performed on the cavity (which was produced by the CERCA company) have confirmed the theoretical calculations, especially, concerning the expected frequency and mechanical behavior. Another study, performed on elliptical cavities, gave an explanation of the discrepancies between the measured and calculated frequencies thanks to a precise 3D geometrical control. Keywords : spoke cavity, superconductivity, proton linear accelerator, geometrical control
Les accélérateurs linéaires (linacs) de protons de forte intensité sont, depuis quelques années, au coeur de nombreux projets internationaux (transmutation des déchets nucléaires, production de faisceaux radioactifs, sources de neutrons de spallation, usines à neutrinos...). Les cavités accélératrices supraconductrices, qui constituent une des pierres angulaires de ces accélérateurs, ont connu un essor très important grâce, en particulier, aux excellentes performances atteintes par les cavités dites « elliptiques ». Alors que le choix technologique concernant la partie haute énergie des linacs (énergie du proton supérieure à 100 MeV) semble maintenant clairement établi avec l'utilisation de ces cavités elliptiques, le débat reste encore ouvert au sujet de la partie intermédiaire (typiquement entre 5 et 100 MeV), pour laquelle différents types de cavités « faible bêta » sont actuellement à l'étude. Le thème central de cette thèse porte donc sur l'étude d'une nouvelle structure accélératrice faible bêta, appelée cavité « spoke », qui pourrait répondre aux différents critères fixés, dans le cadre des projets européens EURISOL (production de faisceaux radioactifs) et XADS (transmutation des déchets nucléaires), pour assurer un bon fonctionnement de l'accélérateur, mais aussi, contribuer à réduire le coût global de telles installations. L'étude complète d'une cavité spoke, bêta 0.35, a donc été réalisée : de sa conception, au moyen de logiciels de simulation électromagnétique et mécanique afin d'optimiser sa géométrie, jusqu'aux mesures expérimentales à chaud et à froid (T=4.2 K) où un excellent résultat a été obtenu, à savoir un champ accélérateur de 12.2 MV/m (une des meilleures performances atteintes avec une cavité spoke dans le monde). L'étude d'optimisation a notamment montré qu'un rapport 1/3 entre la barre centrale et la longueur de la cavité permettait de minimiser les champs électriques et magnétiques de surface pour un champ accélérateur donné. Elle a également établi que les cavités spoke pouvaient parfaitement être utilisées, dans la partie intermédiaire de l'accélérateur jusqu'à un bêta de 0.15, du fait de leur très grande rigidité. Les tests expérimentaux à chaud réalisés sur la cavité (fabriquée par l'entreprise CERCA) ont confirmé les prédictions théoriques attendues (fréquence, profil de champ et caractéristiques mécaniques). Une autre étude, portant sur le contrôle dimensionnel en 3D de cavités monocellules elliptiques, a permis d'expliquer les écarts observés entre les fréquences mesurées et celles visées, issues des codes électromagnétiques.
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