DOCUMENT TYPE: Technical Note

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1 IPNO - DA ESS NT European Spallation Source Spoke cryomodule IPNO Div./Group or Supplier/Contractor Document No DA Cav EDMS Document No. I /01/2014 SUMMARY AND OBJECT OF THE DOCUMENT: DOCUMENT TYPE: Technical Note TITLE: CONSULTATION APAVE Classification des circuits cryogéniques, du vide faisceau et du vide d isolement Nomenclature des circuits Désignation des composants Information sur les géométrie, pression et température DISTRIBUTION LIST: EDMS (CNRS-IN2P3) data base Alfresco data base MATRIX APPROVAL: Author : Verified by : Approved by: S. BRAULT P. DUTHIL D. REYNET Institute : IPNO-IN2P3-CNRS name@ipno.in2p3.fr Signature: Signature: Signature: Date: xx/xx/2014 Date: xx/xx/2014 Date: xx/xx/2014 VERSIONS SUMMARY Date Modifications since last version 04/02/2014 V1: Creation of the document

2 IPNO - DA ESS - CR Page 2 sur 17 Sommaire VERSIONS SUMMARY Contenu du document Généralités Contexte ESS Le linac ESS Le cryomodule Spoke Sous-système exposé à l ultra vide du faisceau (beam vacuum BV) Ligne de mise en froid des cavités (cool-down line CD) Ligne de remplissage des cavités (fill-in line CF) Réservoirs cryogéniques cavités (C) Ligne basse pression de pompage des vapeurs froides (low pressure - LP) Ligne de refroidissement des coupleurs (CP) Ligne de refroidissement de l écran magnétique (magnetic shield MS) Ligne de refroidissement de l écran thermique (thermal shield TS)... 15

3 IPNO - DA ESS - CR Page 3 sur 17 1 CONTENU DU DOCUMENT Dans le contexte de la conception du cryomodule Spoke d ESS, ce document : Présente la nomenclature des circuits cryogénique, de vide faisceau et de vide d isolement ; désigne chaque composant de ces circuits ; spécifie les géométrie, les températures et pressions de fonctionnement. 2 GENERALITES 2.1 Contexte ESS La Source Européenne de Spallation (ESS) sera un laboratoire de recherche multidisciplinaire basé sur une source de neutrons la plus puissante au monde. ESS peut être comparée à un large microscope, où les neutrons (plutôt que la lumière) seront utilisés pour étudier la matière (polymères, membranes, molécules ) afin de mieux comprendre leurs structures et leurs fonctions. En configuration nominale, ESS sera plus de 30 fois plus performante que les infrastructures actuelles, ouvrant de nouvelles voies aux chercheurs dans les domaines de la santé, de l environnement, du climat, de l énergie, des transports et du patrimoine culturel. La construction d ESS sera lancée en 2014, les premiers neutrons seront produits en 2019 et l infrastructure sera entièrement opérationnelle en Le linac ESS Figure 1- Schéma de principe du LINAC ESS (hors infrastructures). La machine ESS (cf. Figure 1) est en particulier constituée d un accélérateur linéaire (LINAC) de particules basé sur des technologies supraconductrices de cavités radiofréquences (RF) accélératrices. La partie supraconductrice du LINAC (en bleu sur la Figure 1) comprend ainsi : - 26 cavités de type Spoke appariées dans 13 cryomodules ; - 36 cavités de type elliptique moyen beta groupées par 4 dans 9 cryomodules ; - 84 cavités de type elliptique haut beta groupées par 4 dans 21 cryomodules. 2.3 Le cryomodule Spoke Un cryomodule représente ainsi une brique élémentaire de cet accélérateur. Un cryomodule prototype de la section Spoke, contenant deux cavités RF de type Spoke équipées de leur coupleur de puissance, est en cours d étude et sera lancé en fabrication en L année suivante, il sera testé à plein puissance afin de valider les solutions techniques développées. Il intègre donc l ensemble des interfaces nécessaires aux opérations au sein du LINAC (distribution et contrôle du vide, de la cryogénie, de la RF, éléments de sécurité ). Un vue d ensemble de ce cryomodule est présentée en Figure 2.

4 IPNO - DA ESS - CR Page 4 sur 17 Figure 2 Vue générale du cryomodule Spoke d ESS. Ce cryomodule se compose d une enceinte à vide qui contient et protège de la température ambiante par un vide poussé le train de deux cavités double-spoke (cf. Figure 3(a)) qui accélère le faisceau de protons. Chaque cavité est enfermée dans un réservoir en titane qui est rempli d hélium liquide saturé à une température de 2K. Chaque cavité est également entourée d un écran magnétique (cf. Figure 3(b)) qui peut également être refroidi à 4,5 K afin d obtenir une perméabilité magnétique satisfaisante avant la transition de la cavité de l état normal à celui de Meisner. La puissance RF est transportée dans la cavité par une ligne coaxiale spéciale, le coupleur de puissance RF, qui est connecté d un côté à la cavité froide et de l autre à l enceinte à vide à température ambiante. Un système d accord à froid équipe également chaque cavité ; il modifie son volume pour accommoder la fréquence de fonctionnement. Les deux cavités sont reliées entre elles par un soufflet et un vide très poussé est réalisé. Le train de cavités se termine à chaque extrémité par deux vannes ultra-vide assemblées à température ambiante à l enceinte à vide du cryomodule. Les deux connexions entre la partie froide du train de cavités et les deux vannes ultra-vide chaudes sont réalisées par deux transitions chaud-froid. Le train de cavité et une partie de la distribution cryogénique est présenté en Figure 4. Figure 3 Train de deux cavités double-spoke équipées de leur coupleur de puissance (a), de leur système d accord à froid, des transitions chaud/froid et des vannes UHV. En plus de ses fonctions de positionnement et d approvisionnement de puissance radiofréquence, le cryomodule a donc pour rôle premier de fournir un environnement cryogénique pour le fonctionnement des cavités RF supraconductrices. Il assure donc la distribution des fluides cryogéniques et en particulier celle de l hélium superfluide à une température de 2 K et une pression de 31 mbar. Cet hélium est d ailleurs produit de manière localisée dans chaque cryomodule à partir d hélium pressurisé à 3 bars, ayant une température de 5 K et distribué tout le long des 450 m de l accélérateur. La distribution cryogénique du cryomodule Spoke est

5 IPNO - DA ESS - CR Page 5 sur 17 présentée en Figure 4. Il est à noter que le même principe de distribution est adopté pour les autres cryomodules (elliptiques bas et haut beta). Figure 4 Masse froide et distribution cryogénique du cryomodule Spoke d ESS. La masse froide est protégée du rayonnement thermique de l enceinte à vide par un écran thermique en aluminium qui est refroidi à une température comprise entre 40 et 50 K par une circulation d hélium supercritique à une pression de 19.5 bars (cf. Figure 5). Figure 5 (a) Masse froide et écran thermique (b) Ecran thermique et transitions chaud/froid. L approvisionnement des cryomodules en fluides cryogéniques est assuré par la Cryogenic Transfer Line qui court le long de l ensemble de l accélérateur et par l intermédiaire de boites à vannes qui sont placées régulièrement dans sa longueur. La connexion d un cryomodule à une boite à vanne est réalisée au moyen d un «jumper». Un schéma de principe (ou PID) du process cryogénique est exposé en Figure 6. La production d hélium superfluide est assurée localement au sein d un cryomodule. Avant sa détente Joule-Thomson,

6 IPNO - DA ESS - CR Page 6 sur 17 l hélium 3 bar figuré en rouge) est pré-refroidi en utilisant l enthalpie des vapeurs froides de la ligne de pompage (figurée en bleu clair). Figure 6 PID du cryomodule Spoke. Dans la suite du document, sont détaillés les sous-systèmes suivants (cf. Figure 4) : - sous-système exposé à l ultra vide du faisceau (beam vacuum BV) ; - ligne de mise en froid des cavités (cool-down line CD) ; - ligne de remplissage des cavités (fill-in line CF) ; - réservoirs cryogéniques cavités (C) ; - ligne basse pression de pompage des vapeurs froides (low pressure - LP) ; - ligne de refroidissement de l écran magnétique (magnetic shield MS) - ligne de refroidissement des coupleurs (CP) - ligne de refroidissement de l écran thermique (thermal shield TS).

7 Page 7 sur 17 3 SOUS-SYSTEME EXPOSE A L ULTRA VIDE DU FAISCEAU (BEAM VACUUM BV)

8 4 LIGNE DE MISE EN FROID DES CAVITES (COOL-DOWN LINE CD) IPNO Project Document No. Page 8 sur 17

9 5 LIGNE DE REMPLISSAGE DES CAVITES (FILL-IN LINE CF) IPNO Project Document No. Page 9 sur 17

10 6 RESERVOIRS CRYOGENIQUES CAVITES (C) IPNO Project Document No. Page 10 sur 17

11 7 LIGNE BASSE PRESSION DE POMPAGE DES VAPEURS FROIDES (LOW PRESSURE - LP) IPNO Project Document No. Page 11 sur 17

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13 Page 13 sur 17 8 LIGNE DE REFROIDISSEMENT DES COUPLEURS (CP)

14 9 LIGNE DE REFROIDISSEMENT DE L ECRAN MAGNETIQUE (MAGNETIC SHIELD MS). IPNO Project Document No. Page 14 sur 17

15 10 LIGNE DE REFROIDISSEMENT DE L ECRAN THERMIQUE (THERMAL SHIELD TS) IPNO Project Document No. Page 15 sur 17

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17 Page 17 sur 17 Page laissée blanche intentionnellement.