Nouveaux horizons en SRF : au-delà du HL

L’innovation dans la technologie et les applications des radiofréquences supraconductrices (SRF) est fondamentale pour le succès du projet LHC à haute luminosité (HL-LHC) et des collisionneurs de particules de nouvelle génération qui suivront. Frank Gerigk, responsable du groupe RF du CERN, évalue les progrès réalisés sur la feuille de route R&D du SRF ainsi que les exigences rigoureuses en matière de fabrication et de performances qui se dessinent déjà.

L'engagement du CERN en faveur des technologies de radiofréquence supraconductrice (SRF) remonte à loin : il s'étend sur plus de quatre décennies d'investissements soutenus dans les infrastructures, la R&D appliquée, l'innovation au niveau des dispositifs et des systèmes, ainsi que la collaboration internationale avec des partenaires universitaires et industriels. Mais si tel est le titre, quelle est la prochaine étape pour le programme SRF du CERN ?

Un récapitulatif des réalisations du SRF du CERN est instructif à ce stade avant de présenter la feuille de route de R&D et d'innovation à long terme. Pour commencer, les cavités SRF – une technologie de pointe pour les accélérateurs de pointe en physique des particules, en physique nucléaire et en science des matériaux – ont joué un rôle déterminant pour pousser le Grand collisionneur électron-positon (LEP) du CERN vers de nouveaux régimes énergétiques. À la fin des années 1990, un total de 288 cavités SRF – chacune comprenant un mince film de niobium supraconducteur pulvérisé sur une cavité en cuivre – ont été installées dans le LEP-II, fournissant jusqu'à 7 MV/m de gradient accélérateur et permettant à la machine d'atteindre à terme une énergie dans le centre de masse de 209 GeV (contre 91 GeV pour la machine LEP originale). Au début du millénaire, le LEP-II était l’installation SRF la plus puissante au monde.

Avance rapide jusqu'en 2010 et l'avènement du projet HIE-ISOLDE, la mise à niveau « haute intensité et énergie » de l'installation de faisceaux radioactifs du CERN, qui a débloqué de nouveaux investissements dans le programme SRF. Sur le plan opérationnel, HIE-ISOLDE avait pour objectif d'augmenter l'énergie des faisceaux de radionucléides d'ISOLDE de 3 MeV/u à 10 MeV/u grâce à la construction d'un post-accélérateur supraconducteur – nécessitant, à son tour, la conception, le traitement et les tests de matériaux en vrac. cavités SRF en niobium ainsi que des performances de revêtement améliorées pour les cavités SRF en niobium-cuivre à couche mince.

Les ingénieurs du CERN ont dûment développé un prototype complet de cavités quart d'onde revêtues de 100 MHz pour HIE-ISOLDE avant de transmettre la technologie à l'industrie. Cependant, par la suite, plusieurs cavités externalisées ont présenté des limitations de performances, liées à un cordon de soudure dans une région de cavité présentant des courants de surface élevés. Pour résoudre ce problème, l'équipe RF du CERN a mis au point une solution innovante qui s'est avérée cruciale pour repousser les limites de performances des cavités SRF à couches minces.

En termes simples, la cavité HIE-ISOLDE a été repensée de manière à pouvoir être usinée à partir d'une seule pièce de cuivre sans soudure. Après avoir été recouverte de niobium et testée ultérieurement en 2017, la nouvelle cavité a produit des champs de pointe en surface sans précédent de plus de 60 MV/m et une valeur Q de 109 à 2,3 K. Ces chiffres sont valables – bien au-dessus de l'objectif de qualification d'environ 30 MV. /m (Q = 5 × 108) – a donné une orientation claire pour la poursuite de la R&D sur les cavités à couches minces sur des substrats de cuivre sans soudure, avec quatre cryomodules (contenant chacun cinq cavités SRF) installés plus tard dans le cadre de la mise à niveau HIE-ISOLDE. De manière significative, c'était également la première fois qu'une cavité de « production » utilisant du niobium en couche mince sur du cuivre donnait des résultats comparables à des cavités en niobium en vrac, dont les performances avaient connu des progrès rapides au cours de la décennie précédente grâce à l'effort collectif de R&D. orienté vers le collisionneur linéaire international (ILC).

À l'heure actuelle, au centre de la feuille de route technologique du SRF se trouve le projet HL-LHC, une entreprise ambitieuse visant à augmenter la luminosité intégrée d'un facteur 10 au-delà de la valeur nominale du LHC et, ce faisant, à ouvrir de nouvelles opportunités pour des projets fondamentaux. physique à partir de 2030. Une fois opérationnel, le HL-LHC utilisera des « cavités en crabe » supraconductrices en niobium massif pour optimiser le croisement des paquets aux points d’interaction des particules – augmentant ainsi et « nivelant » la luminosité des collisions proton-proton. Ceci est réalisé en tournant légèrement les paquets de particules avant la collision, puis en les ramenant à leur orientation d'origine après l'interaction (voir « Collisions artisanales »).