Test réussi des cryomodules à cavité à double rayons

Le laboratoire FREIA de l'université d'Uppsala a réussi à terminer une série de tests sur des Cryomodules à double paroi pour la source de spallation européenne (ESS). C'est la première fois que ces cryomodules précis seront utilisés dans une vraie machine. L'effort a consisté à tester 13 cryomodules, plus un de rechange, pour s'assurer qu'ils étaient prêts pour leurs applications prévues.

#Qu'est-ce qu'un Cryomodule ?

Un cryomodule est un dispositif qui abrite des cavités radio-fréquence supraconductrices (SRF) et aide à les garder à très basses températures. Ces cavités sont essentielles pour accélérer des particules dans des expériences de physique des particules. Chaque cryomodule contient deux cavités à double paroi, spécialement conçues pour fonctionner efficacement à basse température.

#Le laboratoire FREIA

Situé à Uppsala, en Suède, le laboratoire FREIA se concentre sur la recherche et le développement liés aux accélérateurs de particules. Le labo est responsable des tests des cryomodules qui seront utilisés dans l'ESS, qui est basée à Lund, en Suède. Les cryomodules sont assemblés à Paris puis envoyés à Uppsala pour des tests rigoureux. FREIA dispose des installations nécessaires, y compris une usine de liquéfaction d'hélium et des stations de puissance radio-fréquence, pour effectuer ces tests.

#Chronologie des Tests

Le prototype initial du cryomodule à double paroi a été testé en 2019. Après avoir appris de cette expérience, FREIA a mis à jour ses procédures et son équipement pour des tests ultérieurs. Les tests des 13 cryomodules de la série ont commencé en octobre 2020 et se sont terminés en mai 2023, avec seulement le module de rechange restant. Tout au long de cette campagne de tests, cinq modules ont besoin de réparations, totalisant 18 tests réalisés.

#Problèmes Courants Identifiés

Lors des tests, deux problèmes principaux ont été identifiés sur les cryomodules :

1. Problèmes de Fuite : Des fuites ont été trouvées entre le tube à double paroi et le vide du faisceau lorsqu'il était froid. Ce problème provenait de l'usinage mécanique des soudures, qui affectait la qualité de surface.
2. Problèmes de Moteur : Un moteur pas à pas est devenu non réactif après avoir atteint une certaine position. Ce problème a été résolu en le réchauffant et en le remplaçant.

Ces fuites n'ont été détectées qu'après que les modules aient été refroidis avec de l'hélium liquide. Les tests à température ambiante n'ont montré aucune fuite, ce qui a mis en évidence une lacune dans le processus d'évaluation.

#Processus de Test Moyenne

Tester un cryomodule prend environ six semaines, dont quatre semaines dédiées aux opérations à basse température. À son arrivée, des tests sont effectués pour garantir la connectivité électrique et vérifier les niveaux de vide. Les modules subissent ensuite une série d'étapes systématiques pour les préparer à d'autres tests à basses températures.

#Étapes Typiques dans le Test d'un Cryomodule

• Tests de Réception : Vérifier les connexions électriques et les niveaux de vide.
• Déplacement vers le Cadre de Test : Le cryomodule est placé sur un cadre de support pour faciliter le mouvement.
• Connexion des Lignes Cryogéniques : Les lignes de refroidissement nécessaires sont connectées.
• Contrôles de Fuite : Le circuit d'hélium est vérifié pour des fuites à différents niveaux de pression.
• Calibration : Les câbles RF sont calibrés, et l'équipement nécessaire est installé pour les tests.
• Procédures de Refroidissement : Les cavités sont refroidies à l'aide d'azote liquide et d'hélium liquide.
• Tests RF : Des tests de radio-fréquence sont réalisés à différentes températures.

#Manipulation et Installation

Une fois qu'un cryomodule arrive, il est placé sur un cadre mobile et préparé pour les tests. Les poignées, qui relient le module aux lignes RF, nécessitent un alignement soigné avant d'être sécurisées. Un contrôle de fuite implique de purger le circuit d'hélium avec un gaz propre et de vérifier les connexions.

Pour assurer des opérations efficaces, deux cadres de support sont utilisés simultanément, permettant des transitions rapides entre les tests. Lorsque le test d'un module est terminé, le suivant peut être préparé sans délai.

#Conditionnement des Coupleurs

Les coupleurs de puissance fondamentaux (FPC) sont cruciaux pour le fonctionnement des cryomodules. Ils sont conditionnés à la fois à IJCLab et dans le laboratoire FREIA. Ce processus de conditionnement aide à s'assurer que les coupleurs sont prêts à gérer des niveaux de puissance élevés sans rencontrer de problèmes.

Pendant le conditionnement, les niveaux de puissance sont progressivement augmentés, et toute fluctuation significative des niveaux de vide est étroitement surveillée. C'est important pour garantir que les coupleurs fonctionnent de manière fiable dans des conditions opérationnelles.

#Procédures de Refroidissement

Le refroidissement des cryomodules est un processus étape par étape. L'azote liquide est utilisé en premier pour refroidir les écrans thermiques, suivi de l'hélium liquide pour refroidir les cavités à leurs températures de fonctionnement. Diverses étapes sont prises pour s'assurer que le système reste stable tout au long du processus de refroidissement.

#Phases de Refroidissement du Cryomodule

1. Refroidissement des Écrans Thermiques : Utiliser de l'azote liquide pour faire descendre la température autour de 80 K.
2. Remplissage avec de l'Hélium Liquide : Les cavités sont remplies d'hélium à environ 4,2 K, ce qui est une étape critique avant le début des tests RF.
3. Refroidissement Final à 2 K : La température est abaissée davantage pour une performance optimale.

#Mesure des Charges Thermiques

Lors du fonctionnement, comprendre les charges thermiques statiques et dynamiques est vital pour évaluer les performances des cryomodules. Ces mesures révèlent combien de chaleur est absorbée par les cavités pendant le fonctionnement, ce qui affecte leur efficacité.

#Facteurs Influant sur la Charge Thermique

• Configuration du Système : La configuration spécifique peut entraîner des variations dans les mesures de charge thermique.
• Mécanismes de Refroidissement : Les méthodes de refroidissement utilisées peuvent impacter la gestion de la chaleur dans le système.
• Conditions Opérationnelles : L'interaction entre les composants pendant le fonctionnement peut également entraîner des changements dans la charge thermique.

#Émission de Champ

L'émission de champ se rapporte à la décharge d'électrons de la surface des cavités pendant le fonctionnement. Les tests ont montré que la plupart des cavités n'ont pas rencontré de problèmes d'émission de champ significatifs, démontrant l'efficacité des processus d'assemblage propres utilisés.

#Détection des Quenches

Une quench est une perte soudaine de supraconductivité dans les cavités. En raison de la nature unique des cavités à rayons, un système a été développé pour anticiper et prévenir les quenches. Surveiller la forme de l'impulsion RF aide à s'assurer que toute distorsion pouvant indiquer une quench est rapidement traitée.

#Système de Réglage à Froid

Chaque cryomodule est équipé d'un système de réglage à froid, qui comprend des moteurs qui ajustent la fréquence des cavités. Ce système permet un réglage précis pendant que les modules fonctionnent, garantissant une performance optimale dans diverses conditions.

#Leçons Apprises

Après des années de tests, plusieurs leçons importantes ont été identifiées :

• Comprendre les Limites du Système : Reconnaître les limites de capacité de l'équipement aide à rationaliser les opérations.
• Améliorations de la Mesure de Charge Thermique : Des discussions sont en cours sur l'adoption de nouvelles techniques de mesure pour améliorer la précision.
• Défis de Stabilité : Maintenir des opérations stables nécessite une attention particulière à la fiabilité de tous les composants, en particulier les alimentations électriques.
• Contrôle de Qualité des Tests : S'assurer que les moteurs et d'autres composants sont soigneusement vérifiés peut prévenir des problèmes lors des tests.

#Conclusion

Les tests réussis des cryomodules à double paroi au FREIA constituent une étape significative pour le projet ESS. Bien que certains défis aient été rencontrés, les réparations et les retests ultérieurs ont confirmé la fiabilité des modules. Les connaissances acquises lors de ces tests serviront d'informations précieuses pour de futurs projets impliquant des cavités à rayons en physique des particules. Le dévouement du personnel de FREIA, ainsi que les collaborations avec divers partenaires, ont joué un rôle essentiel dans le succès de ce projet.