Le projet d’accélérateur à récupération d’énergie PERLE franchit une première étape clé
Le 11 mai 2026, le projet PERLE, visant à construire un nouveau type d’accélérateur d’électrons de grande puissance capable de recycler l’énergie des particules, a franchi une première étape clé avec la mise en route de son canon à électrons : le « photogun ». Cet élément, placé en début d’installation, est chargé de produire les électrons et leur donner une première accélération. Porté au sein de CNRS Nucléaire & Particules par une équipe commune IJCLab–LPSC, il a produit dès sa première mise en service un courant de particules d’une intensité remarquable, atteignant 2,5 milliampères, soit plus du dixième de l’intensité ultime visée. Un succès qui vient récompenser plusieurs années de développement pour adapter cette source aux exigences d’intensité de courant du projet PERLE et la rendre plus écologique.
PERLE (Powerful Energy Recovery Linac for Experiments) est un projet dont l’ambition est de démontrer la faisabilité d’un ERL (Energy Recovery Linac) de forte puissance, un accélérateur de particules révolutionnaire, à la fois puissant et compact et surtout capable de recycler l’énergie des particules accélérées après leur usage dans les expériences.
Priorité majeure pour l’avenir des accélérateurs
Le concept d’ERL remonte à 1963 et son principe de fonctionnement a déjà été démontré expérimentalement. Les progrès réalisés ces dernières décennies dans le domaine des cavités supraconductrices radiofréquence (SRF) ouvrent désormais la voie à son application à des puissances beaucoup plus élevées. Cette évolution permet d’envisager l’utilisation de telles machines pour de futurs collisionneurs de particules, mais aussi pour la physique nucléaire (diffusion électron-noyaux), pour la production de rayons X par diffusion Compton inverse ou encore pour des applications industrielles (photolithographie). « L’idée de construire un tel prototype a émergé en 2017 à la suite de discussions menées dans le cadre de la stratégie européenne pour la physique des particules et du développement des accélérateurs en Europe », explique Achille Stocchi, directeur d’IJCLab et porte-parole du projet, qui a porté cette initiative dès son origine à Orsay. Le développement des accélérateurs à récupération d’énergie (ERL) et du projet PERLE a été identifié par la récente stratégie européenne pour la physique des particules comme une priorité majeure pour l’avenir des accélérateurs. Ces technologies présentent en particulier des synergies importantes avec le futur projet phare européen, le FCC-ee.
L’infrastructure PERLE est accueillie à Orsay. L’installation de l’accélérateur au cœur de « l’igloo », le dôme de béton d’IJCLab, va bon train et un premier jalon d’importance vient d’être franchi avec le succès de la mise en route du « photogun », la source d’électrons de haute intensité du démonstrateur.
Une source d’électrons à haute intensité
Le photogun est l’élément chargé de délivrer des électrons en grandes quantités, qui seront par la suite mis sous la forme de paquets courts (quelques nanosecondes), puis accélérés dans la ligne d’injection (jusqu’à 7 MeV) de manière continue pour être injectés dans le dispositif d’accélération principal de PERLE. Pour cela, il met en œuvre, dans une enceinte placée sous un ultra-vide extrême (comparable au vide spatial), un laser pulsé qui arrache les électrons à la surface d’un échantillon émetteur, la photocathode. Une fois arrachés, les électrons subissent une première accélération sous l'effet d'un champ électrique de 350 000 volts. Ils seront ensuite injectés dans la section accélératrice supraconductrice de l’injecteur, actuellement en développement. « L’installation PERLE requiert une source d’électrons à haute intensité de courant, autour de 20 milliampères, que les canons radiofréquences à température ambiante ne peuvent pas reproduire. Cette contrainte a dicté notre choix de développer un photogun à tension continue, une des deux technologies capables d’atteindre l’intensité de courant recherchée », explique Walid Kaabi, chef du projet PERLE à IJCLab.
Le photogun a été développé dans le cadre d’un accord de collaboration avec la société allemande Research Instruments (RI GmbH) et mis en œuvre à IJCLab par une équipe conjointe IJCLab–LPSC, sous la responsabilité de Maud Baylac, spécialiste des accélérateurs de particules au LPSC (CNRS / Université Grenoble Alpes). Outre l’intensité du courant visé, il se distingue par plusieurs innovations, à commencer par la station de préparation des photocathodes. Ce système répond à la problématique de l’usure rapide des photocathodes, échantillons émetteurs qui nécessitent d’être remplacés fréquemment sous un vide poussé. Un système de bras manipulateurs robotisés transfère les photocathodes fraîchement préparées directement dans le photogun et les positionne précisément pour la production de faisceau : un ballet mécanique rendu particulièrement ardu par la nécessité de ne pas rompre le vide sur l’ensemble de la manœuvre.
Innovation environnementale
Dans l’esprit d’un accélérateur ERL, la deuxième innovation est environnementale. Les photoguns à haute tension continue ont longtemps utilisé, pour prévenir les claquages électriques, du gaz SF6 aux propriétés isolantes remarquables. Mais le SF6 est aussi le gaz à effet de serre le plus puissant connu (24 000 fois plus puissant que le CO2). L'équipe a démontré, par des calculs puis par des essais, que de l'azote (N2), gaz parfaitement neutre pour l'environnement, pouvait remplir ce rôle dans le cas de PERLE compte tenu des dimensions de l’installation.
Le faisceau de 2,5 milliampères produit et caractérisé le 11 mai 2025 lors de sa première mise en route vient consacrer ce photogun innovant. Ce premier résultat, présenté à la conférence internationale IPAC par Alex Fomin (IJCLab), marque le coup d'envoi d'un programme de recherche sur l'intensité du faisceau et la durée de vie des photocathodes. La mise en route complète de l'injecteur est attendue fin 2028. Il sera ensuite raccordé au Linac (la partie accélératrice de PERLE) pour aboutir, en 2030, au démarrage de la phase 1 du projet PERLE avec une configuration à un tour (sur les trois prévus dans le projet final), délivrant un courant de 20 milliampères à une énergie de 89 MeV. « PERLE, c'est vraiment de la R&D accélérateur novatrice, qui va dans le sens de la transition énergétique, ce qui me tient particulièrement à cœur », ajoute Maud Baylac, qui a piloté le développement du photogun de PERLE. « Les accélérateurs consomment beaucoup d'énergie et c’est le devoir de la communauté de faire tout notre possible pour réduire cette empreinte. »
À propos du projet PERLE
PERLE est un projet de démonstrateur d’accélérateur de particules de nouvelle génération, compact et économe en énergie, destiné à la production de faisceaux d’électrons puissants pour les expériences de physique des particules et de physique nucléaire. Le projet prévoit la construction à IJCLab d’un démonstrateur d’accélérateur à récupération d’énergie (ERL) capable de fournir un faisceau d’électrons de 20 milliampères à une énergie de 250 MeV soit 5 MW de puissance faisceau. Ce projet avant-gardiste, est soutenu par le programme européen ISAS (HORIZON-INFRA-2023-TECH-01-01) et par le projet « Recherche à Risque et à Impact (RI2)» du CNRS « ERL4ALL », co-porté par Walid Kaabi (IJCLab – CNRS / Université Paris Saclay) et Maud Baylac (LPSC – CNRS / Université Grenoble Alpes).
Un accélérateur linéaire supraconducteur (Linac), est constitué de cavités accélératrices successives, à l’intérieur desquelles est entretenu un champ électrique accélérateur très puissant, qui oscille d’avant en arrière à une fréquence très rapide. Classiquement, les électrons sont synchronisés avec le LINAC pour profiter de la force d’accélération du champ accélérateur. Mais dans un ERL, après avoir été accélérés, ces mêmes électrons vont être récupérés, guidés, puis réinjectés dans le LINAC avec un petit décalage temporel, afin qu’ils entrent au moment où le champ accélérateur sera inversé. Au lieu d’accélérer les électrons, les cavités accélératrices vont alors les freiner et en capter l’énergie. Énergie qui servira alors à accélérer de nouveaux électrons.
Le projet PERLE sera progressivement déployé en 3 phases : la phase 0 qui inclut la mise en route de la source d’électrons et de la ligne d’injection ; la phase 1 où la ligne d’injection sera raccordée à une boucle de circulation et à une section accélératrice linéaire unique capable d’accélérer les faisceaux jusqu’à 89 MeV ; la phase 2, équivalent à la configuration finale avec trois boucles de circulation, pour atteindre l’énergie de 250 MeV. Dans sa configuration finale, les électrons vont faire un cycle de trois tours d’accélération pour acquérir l’énergie maximale. Puis, une fois l’expérience passée, entamer trois tours de décélération pour restituer leur énergie à la machine afin d’accélérer les électrons fraichement injectés dans la boucle ERL. Ainsi, ce dispositif vise à fournir des faisceaux de haute intensité, tout en étant compact et surtout beaucoup plus économe en énergie que les solutions classiques grâce au recyclage du faisceau. Outre la démonstration de la récupération d’énergie à forte puissance, PERLE pourra également servir de source de rayonnement X pour d’autres collaborations.
PERLE est porté au niveau national par cinq laboratoires de l’IN2P3 (IJCLab, le LPSC, l'IP2I, l'IPHC et le GANIL). Il s'inscrit dans une collaboration internationale associant le CERN, le STFC, les universités de Liverpool et de Lancaster, ESS Bilbao et l'université An-Najah.