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Rencontres Acclrateurs de la SFP 20 septembre 2016

GANIL (Caen)

Vision et Prospective CEA

O. Napoly

Organigramme de l'Irfu en 2016

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SAp Service dAstrophysique Anne Decourchelle

Adjoint : Pascale Delbourgo

SACM Service des Acclrateurs,

de Cryognie et du Magntisme Pierre Vdrine

Adjoints : Ph. Brdy / O. Napoly

SPP Service de Physique des Particules Gautier Hamel de Machenault

Adjoint : Georges Vasseur

SIS Service dIngnierie des Systmes

Christian Veyssire Adjoint : Frdric Molini

Sedi Service dElectronique, des Dtecteurs

et de lInformatique Eric Delagnes

Adjoint : Philippe Bourgeois

SPhN Service de Physique Nuclaire

Franck Sabati Adjoint : Jacques Ball

Adjoints : Nicolas Alamanos Marie-Ccile Aubert

Anne-Isabelle Etienvre Assistante de direction : Josiane Parnas

Direction de lIrfu

Calcul intensif & simulation Allan-Sacha Brun Evaluation Pascal Debu Scurit Erick Blanchard Moyens de calculs Shebli Anvar Formation par la Recherche Jrme Rodriguez

QSE* Erick Blanchard Projet Emmanuelle Bougamont Communication Sophie Kerhoas-Cavata Budget Nathalie Judas Europe Sylvie Leray Partenariats industriels Christine Porcheray Ressources Humaines Christine Tiquet

Assistants Chargs de mission

Larsim Laboratoire de recherche sur les

sciences de la matire Etienne Klein

* Qualit, scurit, environnement et patrimoine

LCSE P. Brdy, C. Mayri

La Cryognie, les stations de test et la contribution au programme ITER & BA

LEAS JM. Rifflet, A. Payn

Les Aimants supraconducteurs : dtecteurs et acclrateurs

LEDA J. Schwindling, R. Gobin

Les Acclrateurs de particules : lectrons et hadrons

Direction : P. Vdrine Adjoint : P. Brdy, O. Napoly

CSTS : Prsident A. Chanc

LISAH C. Marchand, O. Piquet Systmes acclrateurs et hyperfrquences

Intgration et dveloppement des cavits et des cryomodules

LIDC2 C. Madec, J.P. Charrier

Le SACM dbut 2016

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Assurer le succs des grands projets confis lIrfu : Spiral 2, Iseult, XFEL, IFMIF, FAIR, JT60 SA, ESS, SARAF .. Dvelopper dans chacun des 5 laboratoires notre activit R&D. Renforcer nos collaborations avec le CERN pour le projet HL LHC (dynamique faisceau, RF et cryomodules, aimants supraconducteurs; ..) Dvelopper notre implication dans les tudes pour les futurs acclrateurs (Cilex, EuPraxia, ILC, FCC, sources de neutrons, DONES ) Prparer les futurs projets dans le domaine des aimants haut champ (LNCMI, champs intenses) et les applications mdicales (IRM, Gantry). Assurer lopration, la maintenance et le dveloppement des plateformes dassemblage et dessais au service de la R&D et de linnovation Dvelopper notre rle dans la fusion : R&D pour ITER (Demo) et ingnierie des tests PF Iter Dvelopper notre rle dans le domaine de lnergie (ADS MYRTE, olien, etc)

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OBJECTIFS SCIENTIFIQUES ET TECHNIQUES GNRAUX

| PAGE 5

Jalons importants Dcision 2021 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

Tests des grands aimants supraconducteurs Tests des bobines et aimants SC JT60 SA ITER - Activities

Fin construction CTF Fin des tests des bobines JT60

FEUILLE DE ROUTE ACCELERATEURS ET CRYOTECHNOLOGIES

LINACS supraconducteurs Linacs SC Protons-Deutons

Cryomodules lectrons IFMIF-Eveda SRF-Linac

E-XFEL XFEL Convention signe

Validation du concept SRF-Linac SRF-Linac intgration (db.) Dbut de la production industrielle Fin de la production inductrielle

Rception Rokkasho (db.)

ILC ESS / SARAF Cryomodule

Dcision SARAF Livraison Lund (db.)

Dcision japonnaise

Aimants supraconducteurs haut champ

Pour les acclrateurs Pour les spectromtres

Db. de rception Neurospin ISEULT

Super FRS dipoles HL - LHC Eucard 2 FP7 & CEF

R3B Glad Test dans le cryostat W7X Installation des aimants R3B GSI MOU CEA-FAIR? Livraison des diples Super FRS GSI

LHC Upgrade HE - LHC

Gradiens Coils LNCMI Hybride LNCMI 30+ T T

FCC

43 T Bobine rceptionne Grenoble

FCC Stratgie europenne

Injecteurs de protons

Injecteurs haute intensit Sources deutons & Injecteurrs SARAF

IPHI ESS RFQ IFMIF-EVEDA

LINAC4 FAIR p-Linac Dcision SARAF

MOU CEA-FAIR? 1er faisceau SPII Ganil

Livraison GSI

1er faisceau Rokkasho Rception RFQ ESS TDR Fin des tests IPHI

Sources et Injecteurs

Saraf fin des tudes Lancement des installations Saraf

ENS Dcision post app. largie

Dcision ESS SPIRAL2

ROADMAP SACM AIMANTS

ROADMAP SACM ACCLRATEURS

VISION ET PROSPECTIVE

Le Campus Paris Saclay est un ple mondial sans quivalent dans le domaine des cryomodules RF.

Le CEA/Irfu est un acteur majeur dans le domaine des tests froid des aimants supraconducteurs haut champ et/ou de grande taille, et un collaborateur privilgi du CERN dans le domaine des aimants acclrateurs supraconducteurs.

La stratgie principale du SACM est de consolider ces deux ples, adosss sur des comptences et des moyens cryogniques importants, en relanant et renforant les activits de R&D.

La faisceaulogie doit rester un ple de comptence fort pour comprendre et intervenir dans les projets: le SACM cherche le renforcer par des dveloppements de diagnostics faisceau RF et non-interceptifs.

PROSPECTIVE:LASER-PLASMAACCELERATION

IRFU/SACMisengagedinnewe-accelera?ontechniques Poten'alinenergydemonstrated(ex.LBNL4.25GeVin9cmlongcapillary) Effortnowfocusedonhighqualitybeamproduc'onandusableforapplica'ons

Apollon-Cilexfacility e-LPAdemonstratorwithmul'-PWlasers R&D:plasmastructures(gasjet,gascell,capillary)

internalinjec'on,singlestage,2-stageschemewithe-beamcharacteriza'on

SACM:Par'cipa'onto"GroupeProjetLFA"inchargeoftransportandanalysisbeamlines

EuPRAXIA:16Labsof5EUmemberstates+18associatedpartners EUDesignstudyforacceleratorupto5GeV Twopilotapplica'ons:beamtestforHEPdetectors,FEL StrongFrenchInvolvement:allpartnersofCILEX SACM:WP2coordinator(Physics&Simula'on)and

WP5deputy-coordinator(e-Beamdesign&op'miza'on)

"LongFocalArea"

R&DONCWCRYOMODULESFORELECTRONS

InthecontextofLUNEX5projectatSOLEIL:toinves'gatetheproduc'onofshort,intense,coherentpulsesinthe4-40nmspectralrange

TheLUCRECEproject Objec've:todevelopacompleteRFsystemunit(cavity,powersource,LLRFand

controls)suitableforCWopera'onat1.3GHzinVUV-XRaysfemtosecondFELbasedlightsourcesathighrepe''onrate

Partners:3laboratories(SOLEIL,CEA/IRFU,LAL)and3industrialpartners(SigmaphiElectronics,Alsyom,Thales)

IDFregiongrant(Sesame)forhardwareprocurement Descrip?onoftasks

Task1:Cavityanditsaccessories,prepara'onandtests(CEA/IRFU&SOLEIL):9-cellcavityandHOMcouplersdesign,manufacturingfollow-up;tunermanufacturingfollow-upandintegra'on;Prepara'onandtestsinVer'calCryostat

Task5:IntegratedRFTestinCryHoLab(CEA/IRFU&SOLEIL&LAL) Task6:StudyoftheTESLAcryomoduleupgradeforCWopera'on

(CEA/IRFU&ALSYOM)

High-efficiencyklystronwitha largenumberof cavi'es workingon theusual TM010mode: inspiredbyRFQ,thisarchitecture leadstoasmootherbunchingandthustoahigherefficiencyduetobelerelectrontransmissionintheoutputcavity.

Weareworkingonthedesignofa12GHzklystronwithveryhighefficiency(70%) Wewillbuildakladistronversionofanexis'ngklystronfromThales (TH2166,4.9

GHz, 50 kW, 6 cavi'es) to give a proof of principle on this new concept, with theobjec'veof60%efficiency.Itincludes16cavi'esinthesameinterac'onlength

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Efficien

cy

Pin(W)

MAGIC2Dsimula'onsresultsLaminarbeamUniformmagne'cfield

KladistronTH2166

60%achievedbysimula'on

MAGIC2Dsimula'ons

Cavity1Input

Cav16Output

1-cellprototype

PROSPECTIVE:EFFICIENTRFSOURCEKLADISTRON

Globalproject(magne'smandcryogenics)ofmagnetdesignwithHTcsuperconductorandinnova'ngcryogeniccoolingat77K(LN2): Objec'f:developmentofasuperferricmagnetwithplanarcoils Applica'on:upgradeofCERNPSusingYBCO(@2Tinpulsedmode)with

CryogenicPulsedHeatPipeLN2cooling

PROSPECTIVE:HTCMAGNET@LN2

PSdipoledesign RoebelcablemadeofHTStapes

ConceptofPHPcapillaries

Designofsuperconduc?ngNb3Snmagnets: Gainadvantagefromtheknow-howsacquiredduringIseultsolenoidconstruc'on:

doublepancakewindingtechnology,quenchprotec'onandpressurerisemodellingincaseofquenchwith1.8KsuperfluidHe.

Applica'ons:16Tacceleratormagnets(FCCdipoles),medicalimagery(Iseultv2.0)

!

FCCdipoles:blockdesignwithhybridcoilsE.Todesco,2013

PERSPECTIVE:Nb3SnMAGNETS

FRESCANb3Snmagnet

DesignofMgB2 Objec've:remplaceNbTi,limitedto7-8T@4K,and12-13T@1.8Kinitsapplica'on

domainsbutat10K Applica'ons:detectorupgrades(CMS,FCC),gantryforhadrontherapy,

10-15MWsuperconduc'ngwindturbinesDesignofhighfieldmagnets(20Tormore): YBCO/REBCOwindingwithoutinsula'onasawaytosolvethefundamentalproblemof

thequenchprotec'on. Influenceoffieldgradientonthemagnetcooling(coolantflow,cri'calheatflux)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 5 10 15 20 25 30 35j e(

A/m

m2 )

B (T)

Nb-Ti 4.2 K

Nb-Ti 1.9 K

Nb3Sn 4.2 K

Nb3Sn 1.9 K

Bi-2212

PROSPECTIVE:MgB2andREBCOMAGNETS

PERSPECTIVE:INNOVATINGLIGHTIONSOURCES

RF wave guide

Plasma chamber

Solnoid

Extraction electrodes

Ceramics

ALISESH+Source

ECR light ion source (2.45 GHz) Single solenoid for ERC resonance and beam

focalisation Grounded solenoid and short extraction length Simple geometry

Investigation means for higher RF coupling efficiency and larger beam current: Variable length of plasma chamber Tuneable RF injection Plasma disgnostics, e.g. density, H+ and e-

temperature Beam tests on BETSI facility Already several evolutions of the source design One PhD Thesis, and one PhD proposal

" Polissage Mcanochimique :

" Objectif : remplacer les longues heures dEP par un poli mcanique initial des tles " 1re tape: vrifier quon peut polir sans rintroduire de nouvelle couche crouie

" Fait sur chantillon !!! (Collaboration SOMOS): " A dvelopper sur des tles + grandes

" 2me tape : vrifier que la fabrication (mise en forme, soudures BE) ne ramnent pas des dislocations irrparables

" L Electropolissage est toujours ncessaire, mais seulement en tape finale < 10 m

COUCHE CROUIE, DISSIPATIONS, POLISSAGE

" Une plus grande densit de dislocation a t rcemment incrimine au niveau : " De lapparition de points chauds sur des cavits en fonctionnement

" De lapparition de prcipits dhydrures en plus grande densit

" Dans la sensibilit au pigeage du champ magntique terrestre

" La couche crouie liminer semble provenir essentiellement du laminage " Elle ne semble pas compltement limine par les traitements chimiques

Simulation lments finis dune rduction dpaisseur de 2% pour une tle de 3.5 mm avec des rouleaux de 1 cm diamtre Les contraintes sont concentre dans la rgion prs de la surface (rouge). Les contraintes locales peuvent excder dun facteur 5 la contrainte moyenne (Courtesy Non-Linear Engineering, L.L.C.).

[R. Crook et al, Black Laboratory] & http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/srf2009/posters/tuppo071_poster.pdf

200 m

R&D POLISSAGE

17 / But : enlever la couche crouie avant mise en forme des cavits + dvelopper un procd industrialisable

A cur: les grains sont assez grands, lgrement allongs NB il reste des rayures et de dommages dus la prparation de cette coupe (

SCRF : ATOMIC LAYER DEPOSITION (ALD)

ALD est une technique de synthse de film mince base sur des ractions chimiques de surface auto-limitantes et squentielles entre des prcurseurs sous forme vapeur. Le dpt se fait couche atomique par couche atomique.

CH4CH4CH4

CH4CH4CH4

A

B

Un cycle de raction entre 2 prcurseurs A et B donnent une couche atomique du matriau

desir: ici Al2O3Avantages: Contrle de la composition chimique et paisseur au niveau

atomique Films lisses, continus, et sans trous sur de larges surfaces Excellente conformalit sur des surfaces gomtrie

complexes Large palette de matriaux disponible

Limites: Dposition lente Nouveaux matriaux ncessitent de nouvelles chimies.

Principes Applications

Microelectronique Disques durs Optique Solaire Batterie Dtecteur Catalyse et

Cavits SRF - multicouches

supraconducteurs/isolant:

PERSPECTIVE-S

Cesontlesprincipauxaxesderecherche:celelistenestpasexhaus'venifige.LeSACMestouvertdenouvellesidesetdenouveauxdveloppements,etnousavonspourambi'ondtrecrateursdenouveauconcepts.Mercipourvotrealen'on.