APPLICATION DES SUPRACONDUCTEURS EN HYPERFRÉQUENCES : CAVITÉS, OSCILLATEURS, GUIDES POUR ACCÉLÉRATEURS DE PARTICULES

Résumé
En très hautes fréquences, la résistance de surface R_s de matériaux supraconducteurs peut être rendue 10⁵ à 10⁶ fois plus faible que celle du cuivre pur utilisé à la température ambiante, par abaissement suffisant de température (T/T_c ≈ 0,2). Depuis quelques années, on sait calculer avec précision R_s et ses variations en fonction de la température T, de la fréquence ω, et des caractéristiques du matériau (l.p.m.l., longueur de pénétration de London λ_L, longueur de cohérence ξ₀, largeur du gap Ɗ(0)), mais seule l'expérience permet de déterminer la résistance résiduelle R_oqui apparaît pour T/T_c < 0,25, et limite les performances des dispositifs. De nombreuses études technologiques menées sur des matériaux à T_c élevée (plomb, niobium, plus récemment Nb₃Sn) ont permis de mettre au point des techniques de traitements des surfaces et de fabrication des cavités conduisant à de très faibles valeurs de R₀, (10^-8 à 10^-9 O à 3 GHz, et T = 1,8 K pour Nb, au lieu de 1,4 × 10^-2 Ω pour Cu à T = 300 K). Les nombreux phénomènes physiques responsables de l'existence de R₀ ne sont pas encore tous connus et on n'a pas encore pu établir une loi précise de variation de R₀, avec la fréquence. Avec des cavités résonnantes utilisées à faible niveau de puissance, on obtient couramment des coefficients de surtension Q₀ supérieurs à 10⁹ à T ≈ 1,5 K, ce qui permet une amélioration considérable de la stabilité de fréquence d'oscillateurs microondes par couplage à une cavité. Le couplage direct en réflexion d'un klystron reflex ou d'un générateur à diode Gunn fonctionnant vers 10 GHz conduit à des stabilités relatives de fréquence de l'ordre de 10^-12 (10^-6 pour l'oscillateur libre). L'insertion de la cavité dans un dispositif de type Pound avec boucle de contre-réaction à grand gain, a permis récemment d'amener la stabilité à moyen terme (100 s) en-dessous de 10^-15. De tels oscillateurs, à grande pureté spectrale, constituent désormais des étalons secondaires de fréquence utilisables en métrologie. Dans le domaine des fortes puissances, l'emploi de structures résonnantes supraconductrices à ondes lentes permet de réaliser des accélérateurs linéaires - ou des séparateurs - fonctionnant en régime continu avec des courants moyens comparables - ou supérieurs - à ceux des machines classiques, et surtout une très bonne définition de l'énergie de sortie, qui n'est plus perturbée par les phénomènes transitoires liés au régime impulsionnel. Jusqu'à présent, l'amplitude du champ accélérateur atteint dans de telles structures reste inférieure à celle obtenue dans des cavités de forme simple, et à celle que l'on utilise dans les accélérateurs classiques. Deux phénomènes interviennent pour limiter l'amplitude maximum des champs HF dans une cavité, provoquant la transition à l'état normal du matériau : un claquage magnétique - dû au fait que le champ magnétique HF B^HF associé à l'onde devient localement supérieur au champ critique B_C^HF ou bien un claquage électrique provoqué par l'émission électronique due au champ électrique HF localement renforcé sur des micro-reliefs entraînant l'apparition de décharges oscillantes (multipactor). Il semble que la limite supérieure de B_c^HF soit constituée par B_c, valeur du champ critique thermodynamique, et non B_c1, premier champ critique. C'est pourquoi de gros efforts sont faits actuellement pour développer la technologie des revêtements en Nb₃Sn, matériau ayant T_c ≈ 18 K et B_c ≈ 5 000 G, qui pourrait être utilisé à T = 4,2 K (T/T_c ≈ 0,23). Les accélérateurs à électrons utilisent des guides cylindriques à iris, ou une structure nouvelle, le guide à auges à symétrie plane, dans lesquelles la vitesse de l'onde accélératrice est égale à celle de la lumière c. Pour des protons, particules beaucoup plus lentes des structures plus compactes que les structures classiques, et pouvant être aisément refroidies, ont dû être mises au point, conduisant à des guides cylindriques chargés axialement par un conducteur bobiné en hélice, ou bien à des tubes de glissement portés par des supports incurvés. Un accélérateur à électrons fonctionne depuis plusieurs années au HEPL à Stanford, et plusieurs sont en voie d'achèvement aux Etats-Unis. L'accélérateur de Stanford qui fonctionne à f = 1,3 GHz, fournit actuellement 200-500 µA d'électrons de 37 MeV, avec une définition en énergie ƊE/E ≈ 5 × 10^-4. En faisant recirculer plusieurs fois le faisceau dans le même guide accélérateur, l'énergie finale a été portée à 80 MeV. Un microtron réalisé à l'université d'Illinois, fournit des électrons de 18 MeV, après 6 passages du faisceau dans un guide de 3 MeV. A l'Université Cornell, un guide supraconducteur à auges fonctionnant à f ≈ 3 GHz, a permis d'accélérer les électrons dans un synchrotron de 4 GeV. Un prototype d'accélérateur à protons utilisant un guide à hélice à f = 90 MHz a été réalisé et testé à Karlsruhe. Un séparateur HF de particules lourdes utilisant des guides à iris fonctionnant à 3 GHz est en construction à Karlsruhe. De nombreux efforts sont encore nécessaires pour accroître dans chaque type de structure la valeur maximum des champs magnétique et électrique afin de pouvoir réduire la longueur des accélérateurs, accroître l'intensité du courant dans le faisceau, limitée par l'apparition d'instabilités, et résoudre les nombreux problèmes technologiques et électroniques posés par le fonctionnement à très basse température de guides à très forte surtension qui doivent être parfaitement accordés en fréquence et calés en phase.

Abstract
At very high frequencies, the surface resistance R_s, of superconducting materials at temperature T/T_c ≈ 0.2, may be 10⁵ to 10⁶ times lower than those of pure OFHC copper used at ambient temperature. Theoretical values of R_s can be calculated for different working temperatures and frequencies knowing the gap width Ɗ(0), the London penetration length λ_L, the coherence length ξ₀ and the m.f.p.1 ; however, experiments are necessary to determine the residual resistance R₀, appearing below T/T_c ≈ 0.25. Using high T_c materials (lead, niobium, and more recently niobium-tin) and careful surface processing, values of R₀ as low as 10^-8 - 10^-9 Ω at T = 1.85 K have been obtained at f ≈ 3 GHz - values to be compared to R_s ≈ 1.4 × 10^-2 Ω for copper at T= 300K. Neither the various phenomena which are at the origine of R₀ nor its frequency dependence are well known at time. At a very low power level, cylindrical cavities have quality factors Q₀ greater than 10⁹ at T ≈ 1.5 K, allowing a large stabilization factor of the frequency of RF oscillators. By direct coupling, the relative frequency stability of a reflex klystron, or a Gunn diode oscillator, can be improved to 10^-l2 at f ≈ 10 GHz. Using a modified Pound type stabilizing circuit and a high gain feed back loop, the stability of superconducting cavity stabilized oscillator (SCSO) has recently been improved beyond 10^-15 (for a counting time τ = 100 s). SCSO are now used in frequency and time metrology as secondary frequency standards. At high RF power level, superconducting structures are developped for the acceleration (or separation) of charged particle beams. The very low RF losses in SC waveguides render possible the realization of accelerators having original characteristics : continuous working regime, high mean current, and very good definition of the particle energy, which is no more perturbated by the transients existing in classical pulsed machines. Till now, the accelerating field values obtained in SC structures are not so high as in SC single cavities or even in classical copper waveguides. Two phenomena intervene to limit the field level in a SC cavity, both causing the transition to the normal state of the superconductor : either a magnetic breakdown, when the RF magnetic field B^RF becomes (by increasing the injected power) locally equal to the RF critical field B^RF_c, or an electric breakdown due to field emitted electrons which may lead to resonant discharges (multipactor). It seems now true that the value of B^RF_c corresponds to the thermodynamical critical field value B_c - not to the first critical field B_c1. For these reason Nb₃Sn coatings are studied extensively in many laboratories, another interest of these material being its ability to give low R_s, values at T= 4.2 K (T/T_c = 0.23). In classical linear electron accelerators, the accelerating structure is a cylindrical iris loaded waveguide (or muffin tin waveguides with a planar symmetry) in which the wave propagates at light velocity c. For protons, the wave velocity is by a large factor lower than c, and new structures have to be developed, in order to obtain - at the same working frequency - smaller diameters than in classical proton accelerators. In both cases, important modification of the initial shape of the conductors are necessary to insure an excellent cooling of the hot parts of the walls. An electron accelerator works at HEPL (Stanford) for many years, and other machines are in development in USA. The Stanford accelerator, made of Nb, working at f = 1.3 GHz delivers presently a 500 µA beam at the energy of 37 MeV, with relative energy spectrum width of 5 × 10^-4. Recirculating several times the beam through the same waveguide will increase the final energy to 80 MeV. At University of Illinois, a six pass microtron delivers a beam of 18 MeV electrons. At the Cornell University, a Nb muffin-tin waveguide working at f = 3 GHz was successfully used to accelerate electrons to 4 GeV in the electron synchrotron. A short section of proton accelerator equiped with an helix loaded cylindrical waveguide, working at f = 90 MHz is now in operation at the Karlsruhe Nuclear Center. Iris loaded Nb structures working at 3 GHz with a deflecting mode are developed in Karlsruhe for the realization of RF particle separators. A great deal of effort are necessary to increase in each type of structure the maximum value of the accelerating field (in order to reduce the length of the machine) to increase the beam current by avoiding spurious deflecting modes, and also to solve a great number of technological and electronical problems originating in the new operating conditions of structures having very high Q values, and which necessitate high frequency stability and phase locking.