Expérience opérationnelle avec le système RF de l’anneau de stockage de SOLEIL H. Dias, M. Diop, M. El Ajjouri, J. Labelle, R. Lopes, M. Louvet, P. Marchand,

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1 Expérience opérationnelle avec le système RF de l’anneau de stockage de SOLEIL H. Dias, M. Diop, M. El Ajjouri, J. Labelle, R. Lopes, M. Louvet, P. Marchand, C. Monnot, N. Guillotin, F. Ribeiro, T. Ruan, R. Sreedharan, K. Tavakoli, SYNCHROTRON SOLEIL, 91192 Gif sur Yvette, France P. Bosland, Ph. Bredy, S. Chel, G. Devanz, E. Jacques, C. Thomas-Madec, CEA Saclay, France P. Maesen, E. Montesinos, CERN, Suisse Dans l’anneau de stockage de SOLEIL (@2.75 GeV), 2 cryomodules (CM), contenant chacun 2 cavités supraconductrices, doivent fournir au faisceau d’électrons une tension accélératrice de 4.4 MV et une puissance de 575 kW à 352 MHz, afin de lui assurer une bonne durée de vie et compenser ses pertes d’énergie par rayonnement synchrotron au courant maximum de 500 mA. La puissance RF de chaque cavité est fournie par un amplificateur à transistors de 180 kW. Une source cryogénique unique est utilisée pour les 2 CM.  Les impédances des HOM (modes d’ordres supérieurs) sont fortement atténuées grâce à 4 coupleurs HOM (2 monopolaires et 2 dipolaires) situés sur le tube de transition connectant les 2 cavités  les boucles de couplage extraient la puissance HOM, pour la transmettre, via des lignes coaxiales, jusqu’à des charges dissipatives extérieures. Les coupleurs dipolaires sont équipés d’un filtre réjecteur du mode fondamental accordable, grâce à une onde flexible. @4.5°K S12(Pick-Up – HOM dipo) CARACTERISTIQUES PRINCIPALES DU SYSTEME CRYO ET EVOLUTIONS :  Les besoins en cryogénie sont estimés pour un faisceau de 500mA à 2 x 100W de charges dynamiques RF et 2 x 35W de charges statiques pour les CM.  Le système cryogénique est de fourniture Air Liquide. Il s’agit d’un Hélial 2000 fournissant en fonctionnement mixte 500W @4°K et 100 L/h. Un pré-refroidissement Azote a été retenu afin de réduire la boite froide, les consommations électriques et de gagner en souplesse de fonctionnement.  Le système cryogénique est d’une fiabilité remarquable depuis le démarrage de la machine en 2006. Afin d’en améliorer encore la disponibilité et de s’affranchir des arrêts nécessaires pour maintenance, les utilités sont entièrement redondées ou en phase de l’être; un second compresseur de cycle sera installé cet hiver.  La gestion de la distribution cryogénique est le point le plus sensible du système, car nous devons régulièrement affiner les paramètres en fonction de l’évolution de la machine: montée en courant, arrivée du second cryo module, multi paquets, mono paquet,... Afin de s’affranchir des fréquents changements de mode de fonctionnement, nous allons implémenter un système de simulation de charge par réchauffeurs dans les cryostats. La puissance totale à 4°K sera ainsi maintenue constante, ce qui stabilisera le système. REFROIDISSEMENT CAVITES ET COUPLEURS :  LHe: refroidissement des 2 cavités Nb/Cu et des 4 coupleurs HOM.  GHe: refroidissement des 2 coupleurs de puissance et tubes d’extrémités.  LN2: refroidissement à 77°K de l’écran thermique Cuivre. MISE EN SERVICE DES CRYOMODULES :  Le premier cryomodule (CM1), assemblé au CERN, a été installé dans l’anneau de stockage en novembre 2005. Il est opérationnel depuis Septembre 2006 (Possibilité de stocker un faisceau de 300 mA avec un seul CM). Pas de difficultés notoires lors de sa mise en service et progression très rapide de la montée en courant lors du commissioning de l’anneau. Bonne efficacité des coupleurs HOM : pas d’effet visible sur la qualité du faisceau jusqu’à 300 mA, puissance dissipée dans les charges négligeable; stabilité de phase du faisceau < 0.1°  Le second cryomodule (CM2), fabriqué par ACCEL (Research Instrument), a été réceptionné à SOLEIL fin Mai 2008 et installé dans l’ANS en juin. Conditionnement RF rapide de la cavité 1 du CM2, mais bien plus laborieux pour la cavité 2.  En Octobre 2008, stockage de 450 mA avec 3 cavités actives (CM1 + cav1 du CM2), 150 kW et 1 MV sur chacune. En Février, puis en Mars 2009, stockage pour de courtes périodes de 500 mA avec les 4 cavités actives, 125 kW et 1 MV sur chacune.  Problème majeur : blocages à plusieurs reprises des systèmes d’accord en fréquence des cavités du CM2. SYSTEMES D’ACCORD EN FREQUENCE (SAF) DES CAVITES RF :  Accord en fréquence de chacune des cavités assuré par un mécanisme constitué d’un ensemble ‘vis + écrou’ et des bras articulés déformant longitudinalement les cavités.  La vis est entraînée par un moteur pas-à-pas connecté à un réducteur 1/88ème  L’ensemble est logé dans le CM, sous vide et à température cryogénique.  Rôle essentiel des SAF : ajuster en permanence la fréquence de résonance des cavités de façon à compenser la charge du faisceau (« beam loading ») et minimiser la puissance réfléchie de la cavité vers le générateur. Solicitations importantes des SAF pendant les injections de 0 à 500 mA (∆fmax = 7 kHz).  Les 1ères vis installées à l’intérieur du CM2 étaient en acier inoxydable recouvert d’un dépôt Microfral ®. En Février 2009, ces vis ont été remplacées par des éléments en CuBe (avec dépôt Microfral ®). Cependant des problèmes ont persisté.  Nous avons aussi été confrontés au problème d’obsolescence des réducteurs 1/88ème. NOUVEAU DESIGN DES SAF :  Afin de solutionner les problèmes rencontrés sur les SAF, un nouveau design a été conçu, incluant une vis à rouleaux satellites (ELITEC®) et un moto-rédcuteur 1/72ème, nettement plus robuste que le 1er modèle. Il a été testé en 2009 au CEA Saclay (IRFU) sur un banc d’essais, sous vide et température cryogénique.  Ces tests ont permis de valider le nouveau design après un fonctionnement en continu pendant environ 200 h sans interruption  l’équivalent d’environ 20 ans de fonctionnement SOLEIL.  Depuis sa mise en service sur le CM2, le nouveau système de SAF fonctionne sans problème.  Des systèmes similaires seront installés dans le CM1 lors de l’arrêt d’Hiver.  Amplificateurs de l’anneau de stockage SOLEIL ~ 180 kW CW (4 tours de 50 kW) [ 727 modules par amplificateur, dont 42 en stand by ]  Pratiquement 100 % de disponibilité opérationnelle.  Taux de casse des transistors ~ 1% par an.  Transfert de technologie conclu avec ELTA-AREVA pour les amplificateurs à transistors  L’ESRF a choisi cette technologie pour l’upgrade du système RF (7 amplificateurs de 150 kW, constitués chacun de 2 tours de 75 kW) Réjection optimale S12(Coupleur puissance – HOM dipo) Onde flexible Teminaison coaxiale Filtre réjecteur du mode fondamental Boucle de couplage CARACTERISTIQUES PRINCIPALES DES CRYOMODULES :  Les 2 CM SOLEIL contiennent chacun une paire de cavités RF accélératrices supraconductrices => Cavités en Cuivre avec dépôt de Niobium sur leurs parois internes et maintenues dans un bain d’hélium liquide à 4.2 K. LES AMPLIFICATEURS DE PUISSANCE RF : Tube support de vis Moteur pas-à-pas + réducteur Poutre Vis VUE 3D DU SYSTEME D’ACCORD A FROID (SAF) Cavité Bras articulés BANC DE TEST DES SAF SOLEIL (SAF testé au CEA Saclay en 2009) Nouveau moto-réducteur Phytron 1/72ème vis à rouleaux satellite protégée REPRESENTATION 3D D’UN CRYOMODULE SOLEIL L = 3.65 m Ø = 1.3 m Système d’accord à froid (SAF) (180 kW / coupleur) (gHe / LHe @4K) gHe gN2 gHe LN2 SCHEMA DE PRINCIPE DU SYSTEME CRYOGENIQUE Vis à rouleaux satelites Vis ‘’standard’’ en CuBe avec son écrou Inox CM2 installé dans l’ANS SOLEIL (20/05/2008)