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Submitted on 1 Jan 1969
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LE PROJET DE SYNCHROTRON A PROTONS DE 23/45 GeV
G. Neyret
To cite this version:
G. Neyret. LE PROJET DE SYNCHROTRON A PROTONS DE 23/45 GeV. Journal de Physique Colloques, 1969, 30 (C2), pp.C2-27-C2-33. �10.1051/jphyscol:1969203�. �jpa-00213667�
JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C 2, supplément au no 5-6, Tome 30, Mai-Juin 1969, page C 2 - 27
LE PROJET DE SYNCHROTRON A PROTONS DE 23/45 GeV
G. NEYRET
Département du Synchrotron Saturne, C. E. N., Saclay
Résumé. - On discute les options fondamentales du projet de synchrotron à protons de 45 GeV et on en décrit la nouvelle version. On expose les avantages de la construction en deux étapes de cette machine dans l'hypothèse d'une implantation à St-Aubin.
Abstract. - The main features of the 45 GeV proton synchrotron project are discussed and the new version is described. The advantages of building this machine in two stages with a location at St-Aubin are developed.
Le Groupement d'Etudes du Synchrotron National, constitué en 1963, a eu pour tâche l'élaboration de plusieurs projets d'accélérateurs de particules. Un de ces projets, celui d'un synchrotron de 45 GeV délivrant 1012 protons par seconde a été présenté de façon préliminaire à la Société Française de Physique en Juin 1966 lors du Colloque de Dijon sur les particules fondamentales. Depuis cette date, la conjoncture n'a pas évolué dans le sens d'une décision de réalisation rapide. Toutefois, l'importance de l'objectif, pour les physiciens des hautes énergies, est telle qu'il a paru souhaitable que vous soient retracés l'évolution du projet et son état actuel.
Les études se sont développées, depuis deux ans, dans deux directions principales :
- d'une part, nous avons remis en question plu- sieurs options fondamentales, certaines étant finale- ment maintenues, comme le type d'injection, d'autres modifiées, comme la structure magnétique ;je commen- terai les raisons de ces choix et j'en donnerai l'abou- tissement, sous la forme d'une comparaison entre le projet d'il y a deux ans (J 45 B) et la version actuelle (J 45 G).
- d'autre part, nous avons cherché à diminuer notablement l'enveloppe financière, restée trop volu- mineuse pour entraîner l'adhésion immédiate des autorités. Ce second volet de notre action s'insère dans la perspective du remplacement de l'infrastruc- ture actuelle de la région parisienne, en particulier de Saturne, et de la réutilisation du maximum de ressour- ces existantes, afin d'obtenir un accélérateur dont les performances seraient réduites dans une première
phase d'utilisation (les caractéristiques finales n'étant pas compromises) mais dont le prix serait diminué de façon décisive : c'est le projet 23/45 GeV de St-Aubin, dont je parlerai dans la deuxième partie de mon exposé.
1. Le projet 45 GeV, 10'' protons par seconde. -
1.1 LES OPTIONS FONDAMENTALES. - Avant de parler de ce qui a changé, je m'explique d'abord au sujet d'une des caractéristiques qui a été conservée : l'in- jection par un accélérateur linéaire de 100 MeV. On aurait pu choisir une énergie beaucoup plus élevée, de l'ordre de quelques GeV, au moyen d'un synchro- tron intermédiaire. Le choix est ici très ouvert : parmi les deux autres projets présentés à la Conférence Internationale de Cambridge en 1967 et comparables au nôtre, l'un, le projet japonais de 42 GeV, utilise un linéaire de 125 MeV tandis que l'autre, le projet allemand de 40 GeV, utilise un synchrotron injecteur de 2 GeV. L'avantage de ce dernier procédé est sur- tout de réduire la taille du faisceau, qui est le terme principal dans les dimensions de la chambre ; acces- soirement, on réduit aussi les écarts d'orbite dus aux défauts d'origine magnétique, et on facilite un peu la tâche du système accélérateur en réduisant l'écart de fréquence. Ces avantages ne nous ont pas paru décisifs, pour les raisons suivantes :
les dimensions de la chambre doivent être déter- minées non seulement par ce qui se passe à l'injection mais aussi par la situation à l'énergie finale. Or, on a besoin d'une chambre assez grande si l'on veut un bon rendement de l'extraction lente : ce rendement
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1969203
C 2 - 2 8 G. NEYRET croît en effet avec le rapport du saut de l'orbite sur
un tour à l'épaisseur de la lame mince qui dévie le faisceau ;
la mise en fonctionnement d'un ensemble à injection directe est plus rapide, son exploitation certainement plus facile que celle d'un ensemble comportant un synchrotron injecteur, ce dernier étant une machine difficile en elle-même et aussi en raison des deux transferts supplémentaires qu'elle implique.
Par contre, comme un synchrotron de 45 GeV, 10" protons par seconde, est destiné à voir son inten- sité s'élever ultérieurement, nous réservons la place d'un synchrotron intermédiaire dans l'agencement d'ensemble. Ce report d'échéance nous paraît d'au- tant plus opportun que l'exemple des machines exis- tantes révèle une incertitude sur la doctrine, puisque le CERN s'est engagé sur la voie du synchrotron injecteur tandis que Brookhaven préfère allonger son injecteur linéaire.
Ayant expliqué pourquoi J 45 G ressemble à son aîné par son linéaire de 100 MeV, j'en arrive aux différences, qui s'inscrivent sous les cinq rubriques suivantes :
1) Période de répétition. - La période de répé- tition passe de 1,33 à 2 secondes par augmentation proportionnelle de toutes les durées ; en particulier, le palier à pleine énergie reste 30 % de la période.
Ceci provient d'une réestimation du nombre de protons accélérés à chaque cycle. Ce nombre est limité par la charge d'espace transversale au moment de l'injection : il s'agit d'un phénomène assez complexe dans lequel on a à tenir compte de la géométrie du faisceau, de celle des parois de la chambre, de la variation azimutale et transversale de la densité de charge, etc ... La formule habituelle ne peut guère fournir qu'une comparaison entre des machines pas trop différentes. Elle indique, par exemple, que les deux synchrotrons, PS de Genève et AGS de Brookha- ven, peuvent accélérer 0,9 x 10" protons à chaque cycle ; mais comme ces appareils ont déjà accéléré respectivement 1,2 x 10'' et 2 x 10'' protons par cycle, c'est que la formule est pessimiste. Nous adoptons pour limite 2 x 10'' au lieu de 1,33 x 10'' dans l'ancien projet, et ceci réserve encore une marge puisque nous injectons à 100 MeV et non à 50 MeV.
Ce gain d'un facteur 1,5 se répercute directement sur la période de répétition puisque nous conservons le même nombre de protons accélérés par cycle;
nous en verrons les répercussions favorables sur la tension accélératrice.
2) Structure magnétique. - En ce qui concerne la structure magnétique, nous avons adopté le système des fonctions séparées, pour des raisons sur lesquelles je dois m'arrêter un peu.
Vous savez que le champ magnétique joue un double rôle dans les synchrotrons : tout d'abord il courbe les trajectoires et les oblige à repasser un grand nombre de fois dans les cavités accélératrices ; en second lieu, il focalise les trajectoires c'est-à-dire qu'il les maintient au voisinage d'une orbite de réfé- rence. Cette focalisation est généralement obtenue en donnant aux aimants des gradients successivement positifs et négatifs ; par un choix convenable de la valeur absolue du gradient et de la période spatiale de l'alternance, on constitue un système qui est foca- lisant à la fois pour les deux projections du mouve- ment, horizontale et verticale ; ces projections ont l'allure d'une sinusoïde : ce sont les oscillations béta- tron.
Le dispositif résumé ci-dessus est celui des fonctions dites combinées, dans lequel les aimants assurent à la fois la coui bure par leur champ, et la focalisation par leur gradient. Il est possible de séparer ces deux fonctions en les localisant dans des organes distincts : aimants à champ uniforme pour la courbure, quadru- pôles pour la focalisation. L'induction sur l'orbite de référence peut être plus élevée pour les aimants à champ uniforme que pour les aimants à gradient puisque ceux-ci se saturent ailleurs que sur l'orbite d'équilibre ; on peut donc réduire leur encombrement en azimut, le long de l'orbite. 11 est vrai que les qua- drupôles demandent de la place ; mais on gagne, au total, pour notre machine, à partir d'une induction de 1,6 tesla. Le gain sur ce point peut se mesurer au rayon (( physique » de la machine (circonférence divi- sée par 2 z) qui passe de 182 m à 149 m. L'avantage essentiel du système n'est d'ailleurs pas tellement dans ce gain, qui reste modéré, que dans sa flexibilité en ce qui concerne l'arrangement des éléments successifs.
En effet, si l'espacement régulier des quadrupôles doit être strictement respecté, par contre la disposition des aimants de courbure reste libre et il est possible de bien adapter le nombre et la longueur des sections droites aux besoins ; on obtient, en particulier, des longues sections droites en supprimant simplement tout aimant entre deux quadrupôles successifs. De telles longues sections droites n'ont plus que 7,3 m au lieu. des 12,9 m de J 45 B, mais cela suffira pour l'extraction, et on évite les quadrupôles spéciaux d'adaptation.
Il y a d'ailleurs d'autres gains potentiels des fonc- tions séparées, par exemple la possibilité d'agrandir
LE PROJET DE SYNCHROTRON A PROTONS DE 23/45 GeV C 2 - 2 9
certains aimants contenant des cibles internes si cette utilisation se révèle nécessaire, et ceci même une fois la machine construite, opération qui serait fort diffi- cile avec des aimants à gradient.
3) Nombre de superpériodes. - Le nombre de superpériodes, qui est aussi le nombre de longues sections droites, est porté à 8 au lieu de 4 ; ce nombre ne peut être fixé indépendamment du nombre d'oscil- lations bétatron si l'on veut minimiser l'effet des défauts systématiques de champ et des résonances de structure, et nous avons trouvé que le choix actuel est un des plus favorables à ce point de vue.
4) Tension accélératrice. - Le nombre de cavités accélératrices dans le projet J 45 B était assez impor- tant. Pour le réduire substantiellement, nous avons agi à la fois sur la forme clu cycle magnétique et sur le dispositif accélérateur lui-même. En effet, les cavités accélératrices engendrent une tension VHF sinusoïdale, à une fréquence fHF qui est un multiple d'ordre h de la fréquence de révolution des protons et qui croît donc au cours du cycle en même temps que l'énergie (h est appelé l'harmonique). La tension VHF et la fréquence f,, sont réglées de sorte qu'une certaine particule, dite particule synchrone, reçoive exactement l'énergie qui lui permet de rester sur l'orbite idéale.
II se trouve que les particules voisines restent proches de la particule synchrone, autour de laquelle elles exécutent des oscillations de phase et d'énergie, dites oscillations synchrotron. Ces oscillations, qui sont très lentes par rapport aux oscillations bétatron, et même par rapport à la fréquence de révolution, s'accompagnent d'oscillations en position radiale.
On désigne par Qi, la phase des cavités au passage de la particule synchrone : celle-ci prélève donc l'éner- gie eVsin CD, qui doit d'autre part être égale à C - dp
d t soit à peu près C , C étant la longueur du tour,
T
p,,, la quantité de mouvement correspondant à 45 GeV et T la durée d'accélération. On voit que
Si nous reprenons la comparaison de nos projets, on voit que nous avons gagné sur C le facteur de dimi- nution du rayon physique, sur T le facteur d'augmen- tation de la durée du cycle. Peut-on faire quelque chose sur la phase synchrone @, ? Il faudrait qu'elle tende vers 90°, mais il se trouve que ceci réduirait le domaine de stabilité des oscillations synchrotron jusqu'à zéro. Dans J 45 B, on avait @, = 300, valeur qui assurait un assez grand domaine de stabilité
lors de la capture mais qui donnait à sin @, la valeur assez faible 0,5. Le nouveau projet est plus élaboré ;
@, varie au cours du cyle, comme l'indique la figure 1, en partant d'une valeur presque nulle et en atteignant le plus tôt possible la valeur CD, = 45O. Ceci assure à la fois une bonne capture, une valeur de v, (nombre d'oscillations synchrotron par tour) assez faible pour rester éloignée des résonances critiques, et un passage convenable à l'énergie de transition compte tenu de la charge d'espace longitudinale. Au total, la tension V,, tombe de 880 kV pour J 45 B à 328 kV pour J 45 G.
FIG. 1. - Début du cycle.
5) Structures mécaniques. - En ce qui concerne l'alignement des éléments magnétiques, l'ancien pro- jet s'était déjà affranchi de tout monument géodé- sique, l'opération d'alignement étant faite par un dispositif de cheminement et de fermeture. Pour J 45 G, nous sommes allés plus loin dans cette voie en étendant le procédé à la surveillance de position entre deux opérations d'alignement; nous pensons ainsi n'avoir à utiliser aucune fondation spéciale, ni sous les aimants, ni sous les quadrupôles. Ceci implique un système élaboré et d'ailleurs automatisé, basé sur l'observation du faisceau. L'étude de ce système, liée à celle des corrections magnétiques, se poursuit d'une manière favorable, et nous tenons pour acquis que l'écart maximal d'orbite fermée ne dépassera pas 10 mm horizontalement et 5 mm verti- calement (contre 24 mm et 12 mm dans l'ancien projet).
1.2 DESCRIPTION DU PROJET. - Ayant commenté ci-dessus les idées de base du projet, je me contenterai, pour le décrire dans ses grandes lignes, de quelques figures et tableaux.
C 2 - 3 0 G. NEYRET La figure 2 représente les trois mailles qui consti-
tuent la structure magnétique. On y voit les quadru- pôles focalisants et défocalisants qui alternent tous les 9,75 m, ainsi que les trois types d'aimants composés de blocs modulaires et les sections droites de diffé- rentes sortes : celles de 1 m pour les dispositifs d7ob- servation et de correction du faisceau, et les connexions de vide ; celles de 1,39 m contenant certains dispositifs liés à l'extraction du faisceau ; celles de 2,78 m qui peuvent loger l'aimant d'extraction ou une cavité accélératrice ; celles de 7,3 m qui sont les longues sections droites, contenant des éléments d'extraction ou deux cavités accélératrices.
FIG. 2. - Les mailles.
La figure 3 montre comment ces mailles sont réparties dans une superpériode, c'est-à-dire dans un huitième de la machine. Un résumé des paramètres principaux est présenté dans le tableau 1.
FIG. 3. - La super-période.
Paramètres de l'orbite J 45 B Energie finale ... 45
Nombre de mailles ... 48 + 4
Longueur d'une maille.. ... 22 Rayon physique ... 182 Nombre de L. S. D. . . . 4
Longueur libre d'une L. S. D . . .... 12,9
Induction sur l'orbite cent. ... 1,25 ...
Gradient. 3,4
Nombre d'oscillations bétatron par tour ... 11,25
J45 G
45 GeV
somme des éléments suivants (calcul des demi-dimen- sions, à l'injection) :
le rayon propre du faisceau, déterminé par l'émit- tance de l'accélérateur linéaire et par les propriétés focalisantes de la maille ;
l'amplitude radiale de l'oscillation synchrotron ; l'écart de courbure dû à la structure rectiligne des aimants ; on admet maintenant qu'ils seront formés d'éléments de 1,4 m de longueur azimutale ; l'élargissement du faisceau dû aux chocs contre les molécules résiduelles ;
les défauts d'orbite, dont nous avons parlé précé- demment.
La situation est résumée dans le tableau II. A cet espace de bon champ, il faut ajouter horizontalement
15 mm pour les besoins de l'éjection.
Espace utile à l'injection (Demi-dimensions en mm)
HORIZONTALEMENT
Rayon faisceau ... 26,l 26,l Oscillation synchrotron ... 7,3
Demi-flèche ... 8 2 5,2 1,4 Diffusion multiple ... 3,O 3,o Défauts.. ... 23,4 10.0
- -
Demi-axe horizontal ... 68 46 - -
VERTICALEMENT
...
Rayon faisceau 26,l 26,l
Diffusion multiple ... 3,O 3 8 Défauts ... - 11,7 - 5,o Demi-axe vertical ... 41 34
Autour de cet espace, il faut édifier l'aimant et le système accélérateur. Pour l'aimant, les études sont orientées vers une structure symétrique fermée assez compacte ; par rapport à J 45 B, la puissance Joule est plus forte tandis que l'énergie emmagasinée est restée presque la même, malgré l'élévation de l'induc- tion ; par contre, le poids de fer diminue de façon notable (Tableau III).
TABLEAU III Aimant. Alimentation
J 45 B J45 G
AIMANT
Induction finale ... 1,25 1 3 T Induction à l'injection .... 121 x 10-4 174x 10-4 T Energie emmagasinée ... 18,6 18,8 MJ
Dimensions des tôles. ... 0,84 x 1,06 0,91 X 0,51 mz Poids de fer net ... 4 450 1 680 t
Poids de fer quadrupôle . . 126 t
ALIMENTATION
...
Examinons maintenant une coupe transversale de la Energje emmagasinée 18,6 19,9 MJ
...
machine. L'espace occupé par le faisceau est la Puissance Joule 6 3 9,4 MW
LE PROJET DE SYNCHROTRO IN A PROTONS DE 23/45 GeV C 2 - 31 Les cavités accélératrices travaillent dans la bande
de 13 à 30 MHz. La diminution de la tension par tour, ainsi que les progrès dans l'étude des ferrites, permettent de diminuer beaucoup le nombre de postes accélérateurs (Tableau IV).
Injecteur, Système accélérateur
INJECTEUR
Energie ... 100 100 MeV Intensité ... 48 88 mA Emittance ... 21 n . IOF6 21 K . 10-6 rd .m Amplitude de la tension . . 880 338 kV
...
Phase synchrone.. z/6 n/4 rd
Harmonique ... 156 96
...
Fréquence 17,5 - 41 ,O 13,l- 30,7 MHz Nombre de cavités ... 32 6
Nombre d'oscillations syn-
chrotron par tour (vs max.) 0,14 0,12
Telles sont les principales caractéristiques physiques de cette machine. En ce qui concerne l'évaluation financière, je donnerai tout à l'heure un tableau comparatif qui fait certes ressortir une diminution substantielle du prix total : 63 millions sur 483. La somme restante paraissant encore trop élevée, c'est ici que se place l'idée du projet de St-Aubin que je vais maintenant développer.
II. L'étape 23 GeV, 7 x 10" protons par seconde. - Il était raisonnable de rechercher, pour l'instrument de remplacement, une implantation aussi favorable que possible tant du point de vue de la proximité des laboratoires existants que de la réutilisation maxi- male des investissements déjà effectués, ceci dans un souci de stricte économie. C'est ainsi qu'a été proposé le terrain libre situé entre le CENS et le village de St-Aubin.
Le réemploi porterait sur les éléments suivants : 1) I'alimentation de Saturne, laissée à son empla- cement actuel, et qui est capable de porter l'aimant de J 45 à la moitié de son induction nominale, au prix d'un allongement du temps de repos entre deux cycles,
2) l'injecteur de Saturne, un linéaire de 20 MeV, qui serait considéré comme la première partie de l'injecteur de 100 MeV,
3) le hall de Saturne, la vieille machine étant réformée, qui offrirait 4 000 m2 à titre de premier hall expérimental de la nouvelle machine,
4) les aimants et quadrupôles de transport de faisceaux, avec leurs alimentations et leur système de refroidissement, utilisables sans difficulté pour l'expé- rimentation jusqu'à 23 GeV, ainsi que les blocs mobiles de béton de protection, soit 4000 m3 et, d'une façon générale, des bâtiments et transports de fluide suffisants pour la première étape.
Le tableau V résume au point de vue technique la succession de deux étapes. L'énergie emmagasinée que peut traiter I'alimentation de Saturne limite l'induction à 0,9 tesla, donc l'énergie à 23 GeV ; sa puissance Joule limite le courant efficace donc détermine la période de répétition, et ceci conduit à l'intensité de 7 x 10'' protons par seconde.
L'étape 23 GeV
23 GeV J 45 G Durée du cycle ... 3 2 dont : montée ... 0,7 0,7
palier ... 0,6 0,6 descente. ... 0,6 0,6 repos ... 1,l - 0,l
...
Energie emmagasinée. 5,O 19,9 Puissance Joule ... 1,5 9,4
...
Induction maximale 0,9 1,8
...
Tension accélératrice 169 338
...
Intensité 0,7 X 10'2 1,O x 10'2
s S S S S MJ MW
T kV protons seconde Par
Bien entendu, on conserve l'entière possibilité de passer aux caractéristiques nominales : il faut pour cela changer l'alimentation de l'aimant, allonger le linéaire et installer les quelques cavités accélératrices supplémentaires à la place qui leur est réservée. Il est même possible de passer à IOi3 protons par seconde puisque la place d'un synchrotron inter- médiaire est ménagée.
La figure 4 représente le plan de masse de I'instal- lation.
Voici enfin les tableaux de prix sur lesquels vous retrouverez les deux étapes en question et aussi, pour la comparaison, l'ancien projet J 45 B. Le tableau VI concerne la machine proprement dite : de J 45 B à J 45 G, le gain porte surtout sur l'aimant et sur son alimentation ainsi que sur le système accé- lérateur ; les autres éléments diminuent un peu à cause du rayon physique de la machine. De J 45 G à l'étape 23 GeV, le gain provient de I'alimentation, de l'injecteur et aussi du système accélérateur.
G. NEYRET
FIG. 4. - Plan de masse.
LE PROJET DE SYNCHROTRON A PROTONS DE 23/45 GeV C 2 - 3 3
TABLEAU VI
Machine proprement dite (Prix en M F )
...
.Aimant
...
Alimentation
Linac ...
...
Système accélérateur
Vide ...
...
Observation, corrections
...
Utilisation.
Commandes ...
Modèles ...
23 GeV
Total ...
TABLEAU VI1 Physique et site (prix en MF)
23 GeV J 45 G
PHYSIQUE
Hall ... 1,s 19,4 Protectionmobile ... 1,s 13,2
...
Laboratoire physiciens 3,5 4,4 Faisceaux ... 5 27
...
Cibles, aiguillage 10,3 10,3
SITE
Terrain ... 1 5 Adductions ... O 893
...
Infrastructure 1,s 21,6
Maison d'hôtes ... 1,3 1,3
- -
...
Sous-total 4,l 36,2
Le tableau VI1 concerne la physique et le site.
Identiques pour les versions 45 GeV, les chiffres tombent pour le 23 GeV en raison des éléments réu- tilisés. Enfin, le tableau VI11 donne le prix total.
Prix en M F
...
Machine proprement dite.
Tunnel ...
Autres bâtiments ...
Physique ...
Site. ...
...
Main-d'œuvre.
Taxes ...
Total ...
23 GeV 102.5
On voit que le gain technique, marqué principale- ment par une réduction du diamètre de la machine de 20 %, une diminution du poids de l'aimant de plus de la moitié et un abaissement considérable du nombre de cavités accélératrices, conduit à un gain de 63 millions, soit 15 % du prix initial du projet.
Le passage à la version St-Aubin qui revient à 250 millions, assure un gain encore plus substantiel.
Peut-être s'apercevra-t-on dans l'avenir que ce projet constitue la façon saine et raisonnable d'obtenir, au service de l'ensemble des physiciens des hautes énergies, un instrument intéressant et susceptible d'être amélioré au cours des années.
