Cryogénie au FAIR : l’adaptabilité est la clé

La cryogénie est une technologie clé du Centre de recherche sur les antiprotons et les ions (FAIR), en cours de construction en Allemagne. Joe McEntee s'entretient avec Holger Kollmus et Marion Kauschke, qui dirigent ensemble le programme de cryogénie chez FAIR, sur les secrets du succès à des températures ultra-basses.

L'Installation de recherche sur les antiprotons et les ions (FAIR) à Darmstadt, en Allemagne, représente une réinvention ambitieuse du Centre GSI Helmholtz pour la recherche sur les ions lourds, l'un des principaux laboratoires de recherche sur les accélérateurs d'Europe. Lorsqu'il sera mis en ligne pour les premières expériences utilisateur en 2027, FAIR fournira aux scientifiques du monde entier un complexe d'accélérateurs polyvalent conçu pour répondre à un vaste domaine de recherche – de la physique des hadrons, de la structure nucléaire et de l'astrophysique à la physique atomique, en passant par la science des matériaux. et la biophysique des rayonnements (ainsi que les applications en aval dans le traitement du cancer et les sciences spatiales).

Au niveau schématique, FAIR générera des faisceaux primaires – depuis les protons jusqu'aux ions uranium – ainsi que des faisceaux secondaires d'antiprotons et d'isotopes rares. En tant que telle, l’installation de l’accélérateur est optimisée pour fournir des faisceaux de particules intenses et énergétiques à différentes cibles de production. Les faisceaux obtenus seront ensuite dirigés vers diverses expériences à cible fixe ou injectés dans des anneaux de stockage spécialisés pour des expériences en anneau avec des faisceaux de haute qualité d'antiprotons secondaires ou d'ions radioactifs.

À la base de toute cette puissance de feu expérimentale se trouvent les principaux éléments constitutifs de FAIR : le synchrotron à rampe rapide SIS100, qui fournit des faisceaux primaires intenses ; le Super Fragment Separator (Super-FRS), qui filtre les faisceaux d'ions exotiques ; et les anneaux de stockage (voir « D'ici à FAIR », ci-dessous). Parallèlement, les accélérateurs GSI existants (UNILAC et SIS18) serviront d'injecteurs et de pré-accélérateurs pour SIS100, tandis qu'un nouveau linac à protons assurera une injection de haute intensité dans la chaîne synchrotron. Holger Kollmus et Marion Kauschke – respectivement chef et directrice adjointe du programme cryogénie GSI/FAIR – expliquent au Courrier CERN comment l'infrastructure cryogénique du laboratoire et son expertise spécialisée dans les températures ultra-basses sont fondamentales pour la mission scientifique à long terme de FAIR.

HK : Même si la cryogénie n'a pas d'histoire approfondie au GSI – seules deux expériences à grande échelle ont déployé des aimants supraconducteurs à ce jour – la décision stratégique de construire FAIR a placé la technologie à très basse température au cœur de la feuille de route de développement de GSI. Considérez la nécessité d'une infrastructure spécialisée pour fournir des tests à grande échelle des aimants supraconducteurs de FAIR. Un bon exemple est le Prototype Test Facility (PTF) qui, entre 2005 et 2012, a été utilisé pour évaluer cinq modèles d’aimants candidats. L'un de ces prototypes, appelé aimant premier de série (FOS), a ensuite été spécifié pour l'anneau SIS100 (110 aimants dipolaires au total, avec deux aimants de rechange).

Cependant, il est vite devenu évident que le banc d'essai unique de la PTF n'était pas adapté à l'objectif de valider tous les aimants dans un délai raisonnable. Cette tâche a été confiée au Series Test Facility (STF), mis en service en 2013 avec une installation et des équipements cryogéniques fournis par le fabricant suisse Linde Kryotechnik. S'appuyant sur les enseignements tirés du PTF, le STF a maximisé le débit et l'efficacité du flux de travail pour les tests à grande échelle des aimants dipolaires SIS100.

MK : La conception et l'agencement personnalisés du bâtiment sont essentiels, avec un système coulissant pour les aimants supraconducteurs testés, un montage sans soufflet et des interfaces accessibles entre la boîte d'alimentation, l'aimant et la boîte d'extrémité. La boîte d'alimentation et la boîte d'extrémité renferment l'aimant supraconducteur des deux côtés pour les tests, la première fournissant en outre à l'aimant de l'hélium liquide et du courant électrique. L'hélium liquide maintient l'aimant à une température constante de 4,5 K, tandis que le blindage (maintenu entre 50 et 80 K) réduit tout échauffement de l'aimant refroidi par cryogénie (ce qu'on appelle la « masse froide »).