La Source chinoise de neutrons par spallation passe à 200 kW, tandis que son extension vise les 500 kW

Le site de Dongguan double la puissance prévue à l’origine

La Source chinoise de neutrons par spallation, située à Dongguan, dans la province du Guangdong, a commencé à accueillir des chercheurs avec une puissance de faisceau de 200 kilowatts, soit le double de celle prévue dans la conception initiale. L’Institut de physique des hautes énergies de l’Académie chinoise des sciences a annoncé le 24 octobre que l’installation avait franchi ce cap le 20 octobre, après près d’un mois de réglages de l’accélérateur.

Cette avancée accroît immédiatement les capacités d’une installation dont les 11 instruments neutroniques sont accessibles aux utilisateurs. Elle permet également de tester les équipements et les méthodes d’exploitation nécessaires à la deuxième phase des travaux, appelée CSNS-II, qui vise à porter la puissance du faisceau à 500 kW.

L’institut a indiqué que les spécialistes de l’accélérateur avaient réduit les pertes de faisceau tout en augmentant la puissance. Il est important de maintenir davantage de particules sur leur trajectoire prévue, car celles qui s’échappent du faisceau peuvent déposer de l’énergie dans les équipements environnants et compliquer la fiabilité de l’exploitation.

Les derniers travaux ne se limitent pas à l’accélérateur. Une nouvelle cible, baptisée T8, a été installée et testée le 25 septembre ; son système de refroidissement est conçu pour une exploitation à 200 kW. Les équipes de maintenance ont également révisé les instruments utilisés par les chercheurs pour étudier les matériaux.

Pour les scientifiques qui étudient les batteries, les alliages, les matériaux biologiques et d’autres échantillons, l’intérêt concret tient aux neutrons qui atteignent leurs expériences. Une source plus puissante peut permettre d’obtenir plus rapidement des mesures utiles et de mener des recherches nécessitant des échantillons plus petits ou une plus grande précision. L’installation a désormais atteint le double de sa puissance initiale, mais des travaux supplémentaires sur l’accélérateur restent nécessaires pour atteindre l’objectif de la deuxième phase.

Comment un faisceau de protons devient un outil de recherche

La CSNS produit des neutrons en accélérant des protons et en les dirigeant vers une cible. Les collisions libèrent des neutrons par un processus appelé spallation. Des instruments acheminent ces neutrons vers les échantillons et mesurent leur diffusion.

Les scientifiques étudient les variations de direction, d’énergie et de quantité de mouvement des neutrons diffusés pour déterminer la disposition et le mouvement des atomes. En termes simples, ces particules servent à sonder des structures trop petites pour être observées au microscope ordinaire.

La puissance du faisceau correspond à l’énergie délivrée par le faisceau de protons chaque seconde. L’augmenter permet à la source de produire davantage de neutrons et donc aux chercheurs de recueillir plus d’informations. Le bénéfice pour une expérience donnée dépend également de l’instrument, de l’échantillon et de la méthode de mesure.

Les bénéfices attendus pour les chercheurs

Wang Sheng, directeur adjoint de l’Institut de physique des hautes énergies et directeur général du projet d’extension, a décrit les gains scientifiques attendus lorsque la construction de la deuxième phase a débuté en mars 2024.

« À l’issue de la phase II, la source pourra produire davantage de neutrons simultanément. Les expériences pourront ainsi durer moins longtemps et gagner en résolution, ce qui permettra de mesurer des échantillons plus petits et d’étudier des processus dynamiques plus rapides », a déclaré Wang.

Des mesures plus courtes peuvent libérer du temps sur les instruments pour d’autres projets. Une meilleure résolution aide les chercheurs à distinguer des détails qui, autrement, se confondraient, tandis que des mesures plus rapides leur permettent de suivre les changements au sein d’un matériau.

L’installation soutient déjà des recherches sur les batteries lithium-ion, les cellules solaires, les composants aéronautiques et spatiaux, les matériaux magnétiques, les supraconducteurs, les couches minces et les alliages à haute résistance. Zhang Junrong, qui supervise les expériences et les applications destinées aux utilisateurs de la CSNS, a cité ces domaines lors de la présentation de ses activités au lancement de la deuxième phase.

Ces sujets relient l’accélérateur à des enjeux concrets. L’étude des batteries peut examiner les changements qui affectent les matériaux en cours d’utilisation, tandis que les travaux sur les alliages et les composants aéronautiques et spatiaux peuvent aider à comprendre le lien entre leur structure interne et leurs performances. L’extension doit aussi élargir les recherches en sciences du vivant, en développement de médicaments et en conception de catalyseurs.

Les arrêts estivaux dégagent du temps pour les travaux

L’équipe de CSNS-II profite de l’arrêt annuel estival pour installer des équipements tout en limitant les interruptions des recherches programmées. Le calendrier est exigeant : construction, essais des équipements et réglages de l’accélérateur doivent s’inscrire dans le fonctionnement d’une installation scientifique déjà en service.

Lors du dernier arrêt, les équipes ont installé et testé des équipements à l’entrée de l’accélérateur linéaire, l’ensemble des modulateurs à semi-conducteurs et une troisième cavité en alliage magnétique dans le synchrotron à cycle rapide. Les modulateurs produisent des impulsions électriques contrôlées, tandis que la cavité contribue à fournir l’énergie nécessaire à l’accélération du faisceau.

L’accélérateur linéaire propulse les particules en ligne droite avant leur entrée dans le synchrotron, où elles circulent et gagnent encore en énergie. Les équipements de ces deux parties doivent fonctionner ensemble pour que le faisceau atteigne la cible dans les conditions requises.

Selon l’institut, tous les équipements d’accélérateur prévus pour CSNS-II sont désormais installés, à l’exception de la section supraconductrice. Cette dernière est nécessaire pour porter l’énergie du faisceau de l’accélérateur linéaire à 300 millions d’électronvolts, soit 300 MeV.

Maîtriser un faisceau plus dense

L’augmentation de la puissance a rendu le réglage de l’accélérateur plus difficile. Les modifications des paramètres des équipements ont interagi avec les forces à l’intérieur du faisceau et avec son environnement, créant des conditions susceptibles de déstabiliser des groupes de particules.

L’un des défis était la charge d’espace, c’est-à-dire la répulsion électrique entre des particules portant la même charge. Un autre concernait les interactions entre le faisceau et les structures de l’accélérateur, désignées sous le terme d’effets d’impédance du faisceau. Ces effets peuvent perturber le faisceau et augmenter le nombre de particules perdues en chemin.

L’équipe de l’accélérateur a réglé des sections importantes de l’accélérateur linéaire modernisé, notamment le quadripôle radiofréquence, ou RFQ, et la section de transport du faisceau à énergie moyenne, ou MEBT. Ces sections préparent, accélèrent et guident le faisceau avant l’étape suivante.

L’institut a indiqué que des changements importants du mode de fonctionnement avaient permis de résoudre l’instabilité collective du faisceau. Il a également déclaré que l’indice de densité du faisceau dépassait le niveau le plus élevé signalé pour des accélérateurs comparables à l’échelle internationale. Le communiqué ne donne ni de valeur numérique pour cet indice ni de mesure de la baisse des pertes de faisceau.

La réduction des pertes signalée constitue un résultat utile au-delà de l’atteinte d’un niveau de puissance : l’équipe a démontré qu’il était possible de faire fonctionner un faisceau plus exigeant tout en gardant davantage de particules sous contrôle.

Une nouvelle cible et des instruments révisés

La cible T8 se trouve à l’endroit où les protons accélérés la percutent pour libérer des neutrons. Son système de refroidissement est conçu pour une exploitation à 200 kW, et un nouveau dispositif surveille la température des plaques de la cible.

La gestion de la chaleur devient plus exigeante à mesure que la puissance du faisceau augmente. Les mesures effectuées sur T8 contribueront à la conception de la cible plus puissante nécessaire à CSNS-II, apportant aux ingénieurs une expérience concrète avant le passage de l’installation à 500 kW.

Les 11 instruments accessibles aux utilisateurs ont également fait l’objet d’une maintenance estivale. Les travaux ont porté sur les chambres de diffusion, les choppers, les détecteurs et les environnements d’échantillons, qui influent tous sur le déroulement et les mesures d’une expérience.

Les choppers contrôlent les parties d’une impulsion de neutrons qui traversent un instrument. Les détecteurs enregistrent les neutrons diffusés, tandis que les environnements d’échantillons permettent aux scientifiques d’étudier les matériaux dans des conditions choisies, par exemple à différentes températures. La révision de ces systèmes prépare la partie expérimentale de l’installation à exploiter une source plus puissante.

Comment le projet à 500 kW accroît les capacités

L’Institut de physique des hautes énergies a précisé l’ampleur de CSNS-II dans son communiqué de lancement du projet. La réunion de lancement s’est tenue à Dongguan le 30 mars 2024, et la durée de construction annoncée était de cinq ans et neuf mois.

Le plan officiel prévoit de faire passer la puissance du faisceau de 100 kW à 500 kW et de porter le nombre de spectromètres neutroniques de 11 à 20. Il prévoit également deux stations expérimentales supplémentaires, dont une pour les expériences utilisant des protons de haute énergie. Le programme de construction comprend des laboratoires pour les utilisateurs, ainsi que de nouveaux instruments et de nouvelles stations.

Le passage prévu de 11 à 20 spectromètres ajoute neuf instruments, soit une hausse d’environ 82 %. L’objectif de puissance représente cinq fois les 100 kW prévus dans la conception initiale. À 200 kW, l’installation fonctionne à 40 % de la puissance finale visée, même si l’avancement des travaux dépend de bien d’autres facteurs que cette seule mesure.

La dernière mise à jour indique que le projet est à peu près à mi-parcours de sa construction. Les travaux de bâtiment se sont achevés fin septembre, et un réfrigérateur à hélium capable de fournir environ 1 kW de refroidissement à 2 kelvins a été installé le 15 octobre. Deux kelvins correspondent à environ -271 degrés Celsius, une température utilisée pour les systèmes d’accélérateurs supraconducteurs.

Les dates clés de l’extension

La CSNS est passée de son programme de construction initial à une extension menée parallèlement aux activités destinées aux utilisateurs. Les principales dates montrent comment le dernier jalon s’inscrit dans cette entreprise de longue haleine.

• 2011 : début de la construction du projet initial CSNS, avec un investissement de 2,3 milliards de yuans.
• Août 2018 : mise en service de l’installation.
• 30 mars 2024 : réunion de lancement de CSNS-II à Dongguan, avec une durée de construction annoncée de cinq ans et neuf mois.
• 25 septembre, pendant les derniers travaux d’extension : installation et essai de la cible T8.
• Fin septembre : achèvement des travaux de bâtiment de la deuxième phase.
• 15 octobre : installation du réfrigérateur à hélium pour un fonctionnement à 2 kelvins.
• 20 octobre : l’installation atteint le cap des 200 kW, après près d’un mois de réglages du faisceau.
• 24 octobre : l’Institut de physique des hautes énergies annonce le début de l’exploitation à cette puissance accrue pour les utilisateurs.

La prochaine étape de l’accélérateur indiquée par l’institut consiste à porter l’énergie du faisceau de l’accélérateur linéaire à 300 MeV. L’expérience acquise lors de la récente mise en service guidera ces travaux et l’augmentation ultérieure de la puissance.

La demande dépasse le seul périmètre de l’accélérateur

Dans son communiqué de lancement de 2024, l’institut recensait plus de 6 000 utilisateurs inscrits et plus de 1 500 projets expérimentaux achevés depuis la mise en service de la CSNS en 2018. Ces chiffres correspondent à la situation de l’installation au moment de la publication du communiqué.

Selon l’institut, plus de 100 projets achevés avaient impliqué des utilisateurs de Hong Kong, de Macao, de Taïwan et de l’étranger. La communauté des utilisateurs couvre l’énergie, la physique, les matériaux et l’ingénierie, ce qui crée une demande à la fois pour l’accès aux instruments et pour un plus grand choix de conditions expérimentales.

Zhang Junrong, responsable des expériences et des applications destinées aux utilisateurs, a décrit la pression en faveur d’une extension lors du lancement.

« Il est urgent de moderniser la CSNS pour répondre à la demande croissante des utilisateurs », a déclaré Zhang.

La deuxième phase répond à cette demande de deux manières complémentaires. Des faisceaux plus puissants peuvent accélérer certaines mesures, tandis que des instruments supplémentaires offrent aux chercheurs davantage de possibilités et de méthodes pour mener leurs expériences. Pour les utilisateurs, le résultat dépend du bon fonctionnement des deux volets : une source plus puissante et une capacité expérimentale suffisante pour transformer ses neutrons en résultats.

Points clés

• La CSNS a atteint 200 kW le 20 octobre et a commencé à accueillir des utilisateurs avec une puissance deux fois supérieure à celle prévue dans sa conception initiale.
• L’institut indique que les pertes de faisceau ont diminué à mesure que la puissance augmentait, grâce aux réglages des équipements et à des changements du mode de fonctionnement.
• Une nouvelle cible T8 et la maintenance des 11 instruments accessibles aux utilisateurs permettent l’exploitation à cette puissance accrue.
• CSNS-II vise une puissance de 500 kW et le passage de 11 à 20 spectromètres neutroniques, ainsi que l’ajout de stations expérimentales.
• La section supraconductrice de l’accélérateur reste à installer. L’augmentation de l’énergie de l’accélérateur linéaire à 300 MeV fait partie des prochaines étapes.
• L’extension doit favoriser des mesures plus rapides, l’étude d’échantillons plus petits et un éventail de recherches plus large.