Pour que les électrons du SwissFEL ne se fourvoient pas
Coûts réduits et taux d'erreurs minimal : dans le développement des alimentations de l'aimant pour le SwissFEL, les ingénieurs du PSI de la Section Electronique de puissance se sont fixé des objectifs ambitieux. Dès 2016, le nouveau grand instrument de recherche du PSI produira de la lumière extrêmement pénétrante de type rayons X. Pour ce faire, des électrons devront être accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière. Le long de l'accélérateur, quelque 650 dispositifs assureront l'alimentation des aimants, dont la mission sera de maintenir les électrons dans leur trajectoire exacte, sur plusieurs centaines de mètres. Un contrôleur numérique (controller) sera chargé de mesurer le courant dans les aimants, jusqu'à 600'000 fois par seconde, avec une précision de 0,001 %, et, en cas d'écarts non désirés, de rétablir la valeur de consigne.
Sur le marché, on ne trouve pas d'appareils répondant à ces exigences
, constate René Künzi, chef de la section. Alors, pourquoi ne pas les faire soi-même ? Pour le SwissFEL, les ingénieurs s'appuient sur l'expérience qu'ils ont accumulée pendant le développement et en cours de fonctionnement des appareils pour la Source de Lumière Suisse SLS. Le controller qu'ils avaient développé à l'époque est un succès, et des laboratoires du monde entier l'exploitent sous licence PSI.
Pour le SwiSSFEL, les ingénieurs du PSI ont poursuivi le développement du système. Le faisceau du SwissFEL est très petit, et pour le réguler, il faut beaucoup d'aimants relativement faibles, et donc des alimentations moins puissantes, mais en nombre plus élevé. Au vu du nombre d'appareils nécessaire, une réduction massive des coûts était indispensable
, souligne René Künzi. Or, cette réduction, les ingénieurs ne pouvaient l'obtenir qu'en travaillant au niveau de l'électronique de contrôle. Pour le SwissFEL, un controller est prévu pour trois alimentations. Par ailleurs, la commande est conçue selon un principe modulaire. Cela permet de n'utiliser les composants de précision les plus coûteux que là où c'est vraiment nécessaire
, détaille René Künzi.
Des coûts de fabrication diminués de moitié
Les ingénieurs ont ainsi réussi à réduire de près de moitié les coûts de fabrication. Et leur réservoir d'idées ne s'arrête pas là. Car la production n'est pas le seul facteur de coûts : il y a aussi la marge d'erreur pendant l'exploitation. Dans le cas des alimentations de la SLS, les pannes de certains blocs d'alimentation se sont multipliées avec les années. Chaque alimentation avait son propre bloc. Or, pour le SwissFEL, une armoire commune contient jusqu'à 21 alimentations, qui sont toutes alimentées par un seul bloc. Un deuxième bloc assure la poursuite du fonctionnement en cas de panne.
Le refroidissement représentait un autre point faible. Nous avons remarqué qu'au bout de cinq ans, environ, les ventilateurs utilisés pour le refroidissement des appareils tombaient davantage en panne
, explique René Künzi. Les alimentations du SwissFEL étant moins puissantes, il est possible dans leur cas de se passer des ventilateurs. Au niveau de l'électronique, une grande place a été accordée à l'efficacité énergétique, d'où une réduction de la chaleur résiduelle. L'armoire est également équipée d'évacuateurs de chaleur. Ces derniers sont fabriqués de manière à ce qu'un courant d'air se produise spontanément dans l'armoire et évacue la chaleur résiduelle.
Le développement des alimentations, y compris de l'armoire, est achevé. Les alimentations sont actuellement produites en série. Les ingénieurs planchent encore sur les alimentations plus puissantes, dont le SwissFEL a également besoin et qui, elles, n'iront pas sans refroidissement forcé. Mais ce dernier devra être exécuté de manière à exclure toute possibilité de pannée due à un ventilateur défectueux. Dans le cas de ces alimentations également, cela réduira le taux de défaillance
, affirme René Künzi.
Texte : Institut Paul Scherrer/Martina Gröschl