Étude de coupleurs de puissance hyperfréquence pour accélérateurs supraconducteurs

223 Pages·2017·31.02 MB·French

by  Florian Geslin

Étude de coupleurs de puissance hyperfréquence pour
accélérateurs supraconducteurs
Florian Geslin
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Florian Geslin. Étude de coupleurs de puissance hyperfréquence pour accélérateurs supraconduc-
teurs. Physique des accélérateurs [physics.acc-ph]. Université Paris-Saclay, 2017. Français. ￿NNT:
2017SACLS115￿. ￿tel-01561604￿
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NNT : 2017SACLS115
THÈSE DE DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ
PARIS-SACLAY PREPARÉE À L’UNIVERSITÉ
PARIS-SUD
ÉCOLE DOCTORALE N◦576
Particules Hadrons Énergie et Noyau : Instrumentation, Image, Cosmos et
Simulation (PHENIICS)
Spécialité de doctorat : Physique des accélérateurs
Par
Florian Geslin
Étude de coupleurs de puissance
hyperfréquence pour accélérateurs
supraconducteurs
Thèse présentée et soutenue à Orsay, le 30 mai 2017
Composition de jury :
M. Fabian Zomer, Professeur des Universités, LAL, Président
M. Jean-Marie De Conto, Professeur des Universités, LPSC, Rapporteur
M. Olivier Napoly, Directeur de recherche, CEA Saclay, Rapporteur
M. Serge Sierra , Ingénieur, Thales ED, Examinateur
M. Marin Chabot, Directeur de recherche, IPNO, Directeur de thèse

À mon père,

Remerciements
Je souhaite tout d’abord remercier chaleureusement Jean Lesrel, pour la charge d’encadrant
qu’il a supportée durant cette thèse. J’ai énormément appris à son contact tant ses connaissances
sont larges et son enthousiasme immense.
Je remercie également Marin Chabot, d’avoir assuré la charge de Directeur de Thèse. Ses
remarques et ses orientations m’ont aidé à prendre le recul nécessaire.
Un grand merci Fabian Zomer d’avoir accepté la charge de Président du jury et à messieurs
Olivier Napoly et Jean-Marie De Conto qui ont été les rapporteurs de ce travail.
Cette thèse bénéficie des modalités de financement cifre, je tiens à remercier Serge Sierra,
Philippe Denis et Christophe Lievin de Thales Electron Devices, pour le temps et l’intérêt qu’ils
manifestèrent lors de ces travaux et plus spécifiquement pendant la fabrication des prototypes.
MerciégalementàPatxiDuthilpoursestutosetsescalculs,àThibaultHamelinetJean-Louis
Coacolo pour Musicc3D, au BE de l’IPNO, Philippe Blache, Sylvain Brault et Denis Reynet, à
Didier Grolet pour les réalisations mécaniques et les discutions enrichissantes, à Christophe Joly
pour son aide pendant les manips et sa bonne humeur, à Jef pour les relectures, à Virginie
Quipourt et Sylvie Durant pour leur soutien logistique et administratif et plus généralement à
toutes les personnes du 106 et de la DA m’ayant apportées leurs soutiens pendant cette thèse.
Je tiens à remercier Yolanda Gomez Martinez du LPSC et Hayg Guler du LAL pour les
données de multipactors qu’ils ont eu la gentillesse de me transmettre.
Je n’ai pas commencé par ‘Les copains d’abord’ mais Agathe, Bouli, Juju, Matt, Mika, Paket
et Vovo méritent une place de choix dans ces remerciements. Ils sont toujours sur le pont même
quand on va droit dans le récif. Merci à Claire pour le travail ingrat de relectrice.
Bien sûr, merci à mes parents qui m’ont permis de grandir et de m’accomplir avec tant de
facilité, maman, je ne t’en remercierai jamais assez.
Enfin, Élise qui m’a supporté au jour le jour, merci pour son soutien indéfectible, sa patience
et son amour.
v

Table des matières
Remerciements v
Introduction générale 1
I. Les accélérateurs de fortes puissances hyperfréquences et supraconducteurs 5
I.1 Principes des accélérateurs hyperfréquences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
I.1.1 Les cavités résonantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
I.1.2 L’accélération par une cavité hyperfréquence . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
I.1.3 La caractérisation des cavités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
I.1.3.1 Facteur de qualité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
I.2 Principes et contraintes des accélérateurs supraconducteurs . . . . . . . . . . . . . 18
I.2.1 Principes de la supraconductivité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
I.2.1.1 La théorie BCS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
I.2.1.2 La résistance de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
I.2.2 Géométrie des principales cavités supraconductrices . . . . . . . . . . . . . 23
I.3 Les sources de puissances hyperfréquences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
I.3.1 Principes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
I.3.2 Quelques types de sources hyperfréquence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
I.3.2.1 Les tubes à électrons. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
I.3.2.2 Les amplificateurs à état solide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
I.3.3 Le transport de l’onde hyperfréquence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
I.3.3.1 Le guide d’onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
I.3.3.2 La ligne coaxiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
I.3.3.3 La transition guide-ligne coaxiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
I.4 Conclusion du chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
II.Les coupleurs de puissance 37
II.1 Principes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
II.1.1 Les coupleurs coaxiaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
vii
Table des matières
II.1.2 Les fenêtres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
II.1.3 Les aspects thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
II.1.3.1 Pertes par effets Joules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
II.1.3.2 Barrière thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
II.1.3.3 Dissipation de l’onde HF dans un milieu diélectrique . . . . . . . . 50
II.1.4 Les aspects mécaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
II.2 Éléments pour la modélisation des coupleurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
II.2.1 Éléments pour le calcul des échanges thermiques . . . . . . . . . . . . . . . 56
II.2.2 Éléments pour le calcul des contraintes mécaniques . . . . . . . . . . . . . . 59
II.2.3 Les outils de simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
II.3 Le multipactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
II.3.1 Principes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
II.3.2 Lois d’échelle et comportement générique du multipactor dans les coupleurs 67
II.3.3 Les systèmes de prévention du multipactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
II.3.4 Le code MUSICC3D pour les coupleurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
II.3.4.1 La simulation de structure à ondes progressives . . . . . . . . . . . 75
II.4 Exemples de coupleurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
II.5 Conclusion du chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
III.Validation du code MUSICC3D pour les coupleurs de puissance 81
III.1 Le multipactor dans les coupleurs SPIRAL2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
III.1.1 Description du projet SPIRAL2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
III.1.2 Résultats des simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
III.1.3 Le principe des mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
III.1.4 Comparaison des simulations avec les mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
III.2 Le multipactor dans les coupleurs XFEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
III.2.1 Description du projet XFEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
III.2.2 Résultats des simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
III.2.3 Le principe des mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
III.2.4 Comparaison des simulations avec les mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
III.3 Conclusion du chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
IV.Étude et fabrication d’un coupleur coaxial à 704 MHz 105
IV.1 Le projet MYRRHA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
IV.1.1 Accelerator Driven System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
viii
Table des matières
IV.1.2 Le linac de Myrrha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
i. L’injecteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
ii. La section accélératrice Spoke . . . . . . . . . . . . . . . 109
iii. La section accélératrice elliptique β = 0,47 . . . . . . . . 109
iv. La section accélératrice elliptique β = 0,65 . . . . . . . . 109
IV.2 Description du coupleur MYRRHA pour les cavités elliptiques. . . . . . . . . . . . 110
IV.2.1 Le design de la fenêtre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
IV.2.2 Simulations hyperfréquences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
IV.2.2.1 Le Maillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
IV.2.2.2 Optimisation du design et résultats de simulations . . . . . . . . . 118
IV.2.3 Simulations thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
IV.2.3.1 Puissance HF dissipée, source de chaleur . . . . . . . . . . . . . . 123
IV.2.3.2 Paramètre pour le calcul du refroidissement . . . . . . . . . . . . . 124
IV.2.3.3 Calcul de la carte de température . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
IV.2.4 Simulations mécaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
IV.2.5 Simulation du multipactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
IV.3 Le process de fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
IV.4 Le banc de test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
IV.4.1 Procédure de nettoyage et de montage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
IV.4.2 La procédure de conditionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
IV.5 Conclusion du chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
V. Étude et fabrication d’un coupleur coaxial à 352 MHz 163
V.1 Le projet ESS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
V.2 Description du coupleur ESS 352 MHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
V.3 Définition du design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
V.3.1 Optimisation du design RF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
V.4 Simulations multipator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
V.5 Vers une céramique précontrainte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
V.6 Le process de fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
V.7 Le banc de test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
V.8 Conclusion du chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Conclusion et perspectives 199
ix