1. Exploitation de l'accélérateur GENEPI-3C

M. Baylac, P. Boge, T. Cabanel, E. Labussière, S. Rey
A. Billebaud, S. Chabod (Groupe Physique des Réacteurs)
J. Bouvier, D. Tourrès (Service Électronique)
G. Dargaud (Service Informatique)
M. Heusch (Service Détecteurs et Instrumentation)

Dans le cadre des études sur les réacteurs pilotés par accélérateurs ou Accelerator Driven Systems (ADS), le LPSC a mené le développement de l’accélérateur GENEPI-3C pour le programme GUINEVERE. Celui-ci est couplé au réacteur nucléaire rapide VENUS-F, conçu et opéré par le SCK•CEN de Mol en Belgique.

L’accélérateur est exploité depuis son couplage avec le réacteur fin 2011, principalement par le personnel du pôle accélérateurs et sources d’ions, qui a également formé quelques pilotes belges du réacteur à la conduite de l’accélérateur. Depuis leur certification, obtenue début 2016, ces personnels du SCK•CEN sont désormais autonomes pour l’exploitation de l’installation couplée, accélérateur et réacteur, dans des conditions standards. Le LPSC demeure en charge des phases de redémarrage de l’accélérateur qui restent complexes. En octobre 2016, une maintenance complète de la source d’ions a été menée afin d’en améliorer les performances : l’ensemble mécanique formé par la source et les lentilles électrostatiques a été rapatrié au LPSC pour le remplacement des isolants électriques, avant d’être à nouveau installé sur GENEPI-3C en décembre 2016. À la suite de l’observation d’une lente dérive de la mesure de la pression du gaz deutérium utilisé dans la source d’ions, un nouveau type de jauge non sensible à ce gaz a été installé afin de donner une valeur de référence. La machine a été exploitée pour différents programmes expérimentaux sur la période 2016-2018.

Depuis début 2018, l’équipe travaille sur la génération d’interruptions de faisceau aléatoires superposées aux interruptions régulières pour valider les mesures de suivi de la réactivité du réacteur dans des conditions dégradées, potentiellement à l’œuvre sur un ADS de puissance du type MYRRHA. Depuis octobre 2018, l’accélérateur GENEPI-3C est découplé du réacteur et a été mis à l’arrêt temporairement pour l’exploitation du réacteur en mode critique, avant une reprise d’exploitation couplée au printemps 2019.

2. Accélérateur linéaire pour le projet MYRRHA

M. Baylac, A. Beller, D. Bondoux, F. Bouly, T. Cabanel, M. Debongnie, E. Froidefond, Y. Gómez Martínez, M. Migliore, S. Rey
R. Faure, O. Zimmermann (Service Détecteurs et Instrumentation)
J.L. Bouly, J. Bouvier, C. Li, D. Tourres (Service Électronique)
C. Fourel (Service Études et réalisations Mécaniques)

Le projet MYRRHA et les enjeux pour son accélérateur

Initié par le SCK•CEN, le projet MYRRHA vise la construction d’un réacteur hybride (ou ADS ) de recherche, à Mol en Belgique, afin d’étudier la transmutation de certains déchets nucléaires. Il requiert un accélérateur linéaire de haute énergie (600 MeV) fournissant un faisceau continu d’intensité élevée (4 mA). Cet accélérateur doit atteindre un niveau de fiabilité unique au monde : moins de 10 arrêts faisceau de durée supérieure à 3 secondes par cycle opératoire de 3 mois.

En 2018 le gouvernement Belge a annoncé le financement de la phase I du projet : construction du linac jusqu’à 100 MeV et des zones expérimentales associées. À ce titre le Pôle Accélérateurs et Sources d’Ions est aussi bien impliqué dans des études de physique du faisceau que des activités de R&D pour différentes parties de l’accélérateur. Ces contributions s’articulent au sein de deux programmes : le programme européen MYRTE, et un contrat de collaboration entre l’IN2P3 et le SCK•CEN dont le LPSC assure la coordination.

Ligne basse énergie et dynamique du faisceau

Pour atteindre l’objectif de fiabilité de MYRRHA, il est absolument nécessaire de s’assurer de la bonne qualité du faisceau en sortie d’injecteur afin de limiter les pertes dans la suite de l’accélérateur. La ligne basse énergie (LEBT), premier maillon de l’injecteur, joue donc un rôle crucial car elle permet de transporter et de conditionner le faisceau depuis la source de protons vers la suite du linac. La LEBT a été construite et installée au LPSC (cf. Figure 1).

Un programme expérimental a été mené à Grenoble pour optimiser le transport du faisceau dans la LEBT en exploitant notamment le phénomène de compensation de la charge d’espace. À basse énergie cinétique (ici des protons à 30 keV) la dynamique du faisceau est dominée par des effets non-linéaires du champ de charge d’espace généré par le faisceau sur lui-même. Ce champ a un effet dé-focalisant et il peut engendrer des pertes faisceau dans la LEBT, mais aussi dans la suite du linac. Cependant, le faisceau interagit aussi avec le gaz résiduel présent dans la chambre à vide et ionise celui-ci. Les électrons créés sont piégés par le potentiel du faisceau de protons. Ainsi, la charge globale du faisceau est compensée et la charge d’espace partiellement neutralisée.
Ce phénomène complexe, difficile à modéliser, a été observé lors des tests de la LEBT, quantifié en fonction de la pression et du type de gaz résiduel, et utilisé pour optimiser la transmission dans la LEBT de MYRRHA (cf. Figure 2).

POLE 1

Figure 1 : La LEBT de MYRRHA installée au LPSC (2017).

POLE 2

Figure 2 : Cartes de transmission de la LEBT: mesure du courant faisceau en sortie de ligne en fonction de la force de focalisation des deux solénoïdes, i.e. Isol1 et Isol2.Carte de gauche : sans injection de gaz dans la ligne, P = 7.0 10-6mbar. Carte de droite : avec injection de Krypton dans la ligne, la pression de gaz résiduel est augmentée à une valeur de P = 2.4 10-5mbar, la transmission du faisceau est améliorée.

 

Après son transfert vers la Belgique, la LEBT est en cours de "re-commisssioning". Elle sera ensuite couplée à l’élément suivant de l’injecteur : le quadripôle radiofréquence (RFQ).

En collaboration avec l’équipe du SCK•CEN, le Pôle assure la coordination du design global de l’accélérateur et nous avons notamment réalisé l’ensemble des études de dynamique faisceau pour le linac supraconducteur (cf. Figure 3). De plus, nous menons des études spécifiques de physique du faisceau afin de développer des méthodes d’optimisation pour le réglage rapide (en moins de trois secondes) des cavités accélératrices supraconductrices, afin de pallier à la défaillance de l’une d’entre elles. Ces procédures de re-réglage rapide sont un concept unique, développées par l’IN2P3, elles n'ont jusqu'alors jamais été appliquées à un accélérateur. On a démontré que la mise en œuvre de ce schéma de compensation de panne est loin d’être trivial et qu’il peut avoir un impact fort sur la stabilité du faisceau. Enfin, un travail de thèse est mené, et encadré au sein du Pôle, pour la modélisation de la dynamique du faisceau par des méthodes dites de « machine learning ». Ces travaux s’inscrivent d’une part dans la thématique des études de compensation de pannes et d’autre part dans le développement d’une méthode novatrice pour le contrôle et le réglage (rapidité et précision) de l’injecteur de MYRRHA (LEBT+RFQ).

POLE 3

Figure 3 : Évolution de la distribution faisceau (plan horizontal et longitudinal) lors de son accélération dans le linac 100 MeV de MYRRHA Phase I (Sortie RFQ jusqu’à la cible expérimentale).

Dimensionnement des systèmes de vide

Le Pôle réalise le dimensionnement des systèmes de vide du linac 100 MeV. Après avoir réalisé les calculs de conductances et de flux de dégazage, l'accélérateur a été modélisé sous PSpice (logiciel de CAO électronique). Ainsi, en utilisant l'analogie entre l'électronique et le vide, les simulations réalisées sous PSpice ont permis d'établir les courbes de pression attendue le long de l'accélérateur (Figure 4).

Les résultats nous permettent d'orienter et de valider les choix de matériel (pompes, vannes, jauges) et de fournir des préconisations de mise en œuvre pour une bonne qualité du vide dans les différentes sections. Nous rédigeons également les procédures de mise sous vide et d'étuvage.

POLE 4

Figure 4 : Courbes de pression au long de l'accélérateur MYRRHA 100 MeV.

Aimant à commutation rapide

L'accélérateur de MYRRHA possède deux lignes d'injection distinctes jusqu'à une zone de jonction avant injection d'un seul des deux faisceaux dans l'accélérateur linéaire. Ces deux lignes qui fonctionnent simultanément permettent de parer à la défaillance de l'une d'entre elle dans un délai de 3 secondes (redondance parallèle). Pour cela, un dipôle de commutation permet d'envoyer l'un ou l'autre des faisceaux qui arrivent avec un angle de 45° ou -45° dans l'accélérateur linéaire. Ce dipôle doit donc générer le champ magnétique nominal d'intensité B0 ou -B0.

POLE 5

Figure 5 : deux lignes d'injections (gauche) combinées dans la zone de jonction entourée en orange suivies de l'accélérateur linéaire (droite).

Le Pôle Accélérateurs et Sources d'Ions s'est vu confier l'étude de conception du dipôle de commutation situé dans la zone de jonction. Le principe retenu est un dipôle divisé en deux parties : l'une produisant un champ statique, complétée par une section produisant un champ pulsé. Cette structure permet de minimiser la taille de la partie pulsée, et de réduire ainsi l'importance des problèmes techniques qu'amène la pulsation de champ magnétique.

POLE 6

Figure 6 : maquette 3D du dipôle de commutation rapide.

Coupleurs de puissance RF

Le pôle Accélérateurs et Sources d’Ions du LPSC est en charge de la conception et de la fabrication de quatre prototypes de coupleurs de puissance radiofréquence (coupleur RF). Un coupleur RF :

  • Permet un transfert de puissance supérieur à 99,7% de l’amplificateur à la cavité accélératrice. La puissance nominale est de 8 kW CW @352.2MHz.
  • Le très haut niveau de fiabilité exigé est garanti par la conception basée sur une puissance de 80 kW,
  • Assure l’étanchéité entre le vide secondaire de 10-8 mbar et l’air ambiant
  • Compense les efforts liés à la mise sous vide et aux dilatations thermiques (t° cavité : 4,2 K),
  • Minimise le transfert de chaleur sur les cavités cryogéniques supraconductrices.
  • Début 2018, les études de conception radiofréquence, thermiques et vibratoires ont été achevées et validées en revue de projet IN2P3. Fin 2018, le cahier des charges et les plans pour construction ont été envoyés au SCK-CEN pour le lancement de l’appel d’offre.

POLE 7

Figure 7 : vue en coupe de l’ensemble coupleur RF conçu par le LPSC.

Instrumentation faisceau : « wire scanner »

Le pôle a également conçu, réalisé et testé un diagnostic faisceau à fils, dit "wire scanner". Le rôle de ce diagnostic est de fournir une surveillance du faisceau des protons accélérés par mesure de son profil transversal. Ce type de diagnostic est faiblement interceptif : son utilisation pendant l'exploitation de l'accélérateur est donc envisageable car il ne génère pas de perte faisceau notable.

Par rapport à des réalisations similaires existantes, des solutions technologiques particulières ont été mises en œuvre afin de repousser les limites d'utilisation du diagnostic vers des faisceaux de puissance aussi élevées que possible : maintien en tension des fils de mesure, vitesse de déplacement élevé. Un effort important a également été consacré à l'exploitation des mesures afin de restituer des paramètres faisceau globaux tels que écarts-types et position du centroïde.

Fin 2018 une campagne de mesure sur une ligne de faisceau test de faible puissance a permis de constater le bon fonctionnement de l'appareil et de valider les techniques d'exploitation des mesures. Pour la suite, l'objectif est de tester ce "wire scanner" avec des faisceaux de plus forte puissance.

Système électronique pour le contrôle en fréquence des cavités supraconductrices

Une cavité supraconductrice RF est sensible à diverses perturbations telles que les vibrations mécaniques ou les forces de Lorentz. Ces perturbations produisent un désaccord important de la fréquence de résonance de la cavité. Un système de compensation composé d'éléments piézo-électriques et électroniques (convertisseur analogique-numérique, numérique-analogique, microcontrôleur rapide …) est alors nécessaire.

Un ensemble de régulation a été conçu et réalisé comprenant deux éléments piézoélectriques, un rack d'électronique de puissance comprenant 2 voies indépendantes ainsi qu'une carte électronique au format µTCA gérant le système de régulation.

À l'aide de composants de conversion de tension et d'un microcontrôleur rapide la carte est capable de gérer 2 éléments piézoélectriques.

Un FPGA (Field Programmable Gate Array) a été ajouté pour gérer l'interface avec des éléments externes au travers du bus interne du µTCA et un logiciel dédié a été développé.

3. Projet R&D Multipactor

T. Cabanel, J.B. Cully, J.-M. De Conto, P.O. Dumont, Y. Gómez Martínez
O. Zimmerman (Service Détecteurs et Instrumentation)
P. Boge, N. Emeriaud (Service Études et Réalisations Mécaniques)

A la suite du retour d’expériences des coupleurs RF de puissance pour le projet SPIRAL2 produits au LPSC (voir rapport d'activité précédent), le Pôle Accélérateurs et Sources d’Ions a lancé une activité de R&D spécifique pour la compré­hension du phénomène « multipactor ». Le multipactor est un phénomène parasite résonant, intervenant dans les structures sous vide soumises à une onde électromagnétique. Son mécanisme d’apparition en cascade est le suivant : un électron primaire présent dans la structure sous vide est accéléré par le champ électrique ; cet électron heurte une surface, produisant des électrons secondaires qui pourront à leur tour être accélérés par le champ électrique ; sous certaines conditions précises (synchronisation avec le champ, taux de production supérieur à un, etc.), le phénomène s’auto-amplifie par résonance. Ce mécanisme, très complexe, fait intervenir de nombreux paramètres physiques (coefficient d’émission secondaire, état de surface, structure des matériaux…) et il est extrêmement difficile à pré­dire. Il peut apparaître dans les cavités accélératrices et les coupleurs radiofréquence. La désadaptation d’impédance qu’il crée empêche l’injection de la puissance radiofréquence, qui est alors réfléchie. Il peut également causer la rupture des céramiques des coupleurs sous l’avalanche d’électrons et ainsi rompre l’étanchéité de la structure.

Le LPSC a conçu et réalisé un banc expérimental basé sur une structure coaxiale ajustable, qui permet de travailler à divers niveaux de champ électrique et sur une gamme de fréquence réglable (100 MHz - 1 GHz). Ainsi, il sera possible de tester les modèles empiriques existants et un code de calcul tridimensionnel développé par l’IPN d’Orsay. Les premières campagnes de mesures du multipactor ont été réalisées (Figure 8) amenant à des optimisations de structure.

POLE 8Figure 8 : Mesure du multipactor dans la structure coaxiale résonante.

En 2018, il a été décidé de caractériser également l’efficacité de dépôts métalliques couramment utilisés dans la communauté des accélérateurs pour limiter les effets du multipactor. Une étude de conception a donc démarré pour adapter la structure coaxiale existante de façon à tester différents dépôts « anti-multipactor ».

Enfin, une thèse en collaboration avec la société Thales et un contrat d’apprentissage sont en cours d'élaboration.

4. Le projet JEDI : Mesure du moment électrique dipolaire de hadrons

J.-M. De Conto, Y. Gómez Martínez, J. Michaud
Collaboration JEDI (Jülich Electric Dipole Investigation)

En 2016, le LPSC a rejoint la collaboration JEDI (Jülich Electric Dipole Investigation) sur la mesure, au moyen d’anneaux de stockage purement électrostatiques, du moment électrique dipolaire de hadrons tels que le proton ou le deuton. L’existence d’un EDM non nul serait une source d’asymétrie matière/antimatière, et contribuerait à l’exploration dite indirecte de la physique au-delà du modèle standard. Le principe de la mesure est basé sur la précession du spin (pour un EDM non nul) dans un champ électrique avec pour objectif ultime des valeurs allant jusqu'à 10-29 e.cm. Le scénario prévoit donc, dans sa version de base, un anneau de stockage purement électrostatique (avec des déflecteurs créant un champ horizontal) dans lequel serait injecté un faisceau polarisé longitudinalement. On montre aisément que pour le proton il existe une énergie dite « magique » pour laquelle la précession due au moment magnétique est idéalement nulle.

La collaboration JEDI mène actuellement, en outre, une très importante campagne expérimentale qui permet de valider les méthodes de mesure et de quantifier les performances réellement accessibles.

Pour atteindre les objectifs de précision recherchés, un paramètre important est la durée de vie du faisceau. Plus précisément, la polarisation horizontale doit rester cohérente pendant environ mille secondes. L’une des sources de perte de cohérence est la différence de trajectoires selon les particules, et donc la disparité de l’évolution du spin. Un point important, abordé par le LPSC dans le cadre d’un travail de thèse, est l’effet des champs électriques dans les déflecteurs, que ce soit dans la partie interne (déflecteurs cylindriques, potentiel logarithmique bien connu) que dans les champs de fuite (présence de non linéarités). Les programmes actuels de simulation n’incluent aucun modèle de champ de fuite, si ce n’est une simple forme arbitraire (qui n’inclut donc pas les vraies composantes non-linéaires, notamment hexapolaire, et encore moins les conditions aux limites de potentiel nul).

L'équipe s'est orientée vers une modélisation théorique :

  • Pour le calcul des champs de fuite avec tant des formes d’électrodes que des conditions aux limites réalistes. Ceci est obtenu par des jeux de transformations conformes dans le plan complexe que nous avons déterminées.
  • Pour le calcul des trajectoires dans la partie interne du déflecteur et dans le champ de fuite. Nous avons à cet effet développé une approche hamiltonienne perturbative au second ordre.
  • Pour le calcul de l’évolution du spin, basé sur l’utilisation de spineurs et, également, de méthodes perturbatives au second ordre.

Pour une condition aux limites donnée (i.e. : position de l’équipotentielle zéro sur l’axe de la trajectoire), des tables numériques universelles sont obtenues, valables pour tout déflecteur (de rayon et distance inter-électrodes quelconques). Elles correspondent à l’intégration des équations du mouvement et du spin, une fois pour toutes, dans un déflecteur normalisé en rayon et distance inter-électrodes. Pour cela l'équipe a également développé des méthodes numériques d’intégration rapides (basées sur des quadratures) spécifiques aux intégrales à calculer.

Ces travaux ont été implémenté dans le code de calcul modulaire BMAD sur un scénario de référence en cours d’étude.

L’approche choisie, analytique et toute intégrée, permet d’un part d’avoir des modèles théoriques intégrant toute la physique de manière maîtrisée (et paramétrable), mais aussi de gagner un temps de calcul considérable : il faut plusieurs jours de calcul pour simuler un anneau, il faudrait des années avec des programmes d’intégration de trajectoire (auxquels se grefferaient de très indésirables dérives numériques).

Les premiers résultats montrent qu’il subsiste des défauts de dérive intrinsèques au code, comme des valeurs propres non-strictement unitaires, mais que le scénario de référence, très simplifié, n’est pas optimal. En termes plus techniques, la maille gagnera certainement à être achromatique (prise en compte du facteur de compression des moments) et il faudra réfléchir également aux inévitables aspects de chromaticité (comme cela a été fait dans le cadre de la troisième référence donnée ci-dessous).

5. Prospectives du projet 60 GHz

J. Angot, M. Baylac, J. Jacob, T. Lamy, P. Sole, T. Thuillier

Après les expériences menées sur la période de rapport précédente, le projet de recherche sur les sources d’ions à 60 GHz a continué par une étude prospective sur l’avenir de l’activité avec les partenaires historiques, à savoir le LNCMI (CNRS/INP), l’IAP RAS de Nizhny Novgorod (Russie) et l'université de Jyväskylä (Finlande). Un post-doctorant a été embauché fin 2018 pour préparer une nouvelle campagne d’expériences sur la source d’ions SEISM, installée au LNCMI. Une amélioration de la ligne d’analyse de la source est envisagée pour augmenter la portée des futurs résultats. Une étude prospective a été menée en 2017 et 2018 sur l’avenir à long terme de l’expérience. Des synergies possibles ont été identifiées avec différentes thématiques de physique. L'objectif est de développer une expérience ambitieuse au LNCMI utilisant une source d’ions 60 GHz de très grand volume (diamètre de chambre plasma 200 mm, longueur 500 mm), dans laquelle le champ magnétique est généré par un hexapole chaud (évolution de la technologie LNCMI) et des solénoïdes supraconducteurs (collaboration possible avec le CEA/IRFU). L’accès facilité au plasma RCE dense dans cet instrument sera d’un grand intérêt pour les communautés des physiciens des plasmas, des physiciens atomistes et des astrophysiciens intéressés par les plasmas fortement magnétisés.

6. Source d'ions PHOENIX V3 pour SPIRAL2

J. Angot, D. Bondoux, L. Bonny, T. Cabanel, J.B. Cully, J. Jacob, A. Leduc, M. Migliore, P. Sole, T. Thuillier
N. Emeriaud, C. Geraci, J. Giraud, D. Grondin, H. Lucas-Henriques, D. Morotti, Y. Odievre , S. Roni, S. Roudier (Service Études et Réalisations Mécaniques)
E. Tourba (Service Électronique)
O. Zimmerman (Service Détecteurs et Instrumentation)
W. Regairaz (Service Sécurité et Radioprotection)

La source d’ions à la résonance cyclotronique électronique (RCE ou ECR en anglais) PHOENIX V3 a été financée par le projet européen CRISP ESFRI (2011-2014). La conception, le suivi de réalisation et une grande partie des pièces mécaniques ont été réalisées au LPSC en 2015. Le premier faisceau d’ions a été obtenu en mai 2016. Les innovations de cette source sont un plus grand diamètre de chambre à plasma (89 mm au lieu de 62 mm) et un meilleur vide résiduel rendu possible grâce à l’utilisation des techniques d’ultra-vide et l’ajout d’une pompe turbo-moléculaire située en amont de la source d’ions. Malgré une place plus faible pour l’hexapôle en aimants permanents, la qualité du confinement magnétique est conservée dans cette nouvelle version grâce à l’utilisation optimisée de nouvelles variétés d’aimants permanents. La figure 9 montre une vue de la source PHOENIX V3 sur sa ligne d’analyse.

Le plus grand diamètre de la chambre à plasma et le meilleur niveau de vide permettent d’une part d’avoir d'une part un plus grand volume de plasma et d’autre part de réduire le phénomène d’échange de charge qui limite la population nette d’ions de haut état de charge comme les ions M/q=3. L’amélioration de ces 2 paramètres laissait espérer une augmentation significative des intensités de faisceau d’ions d’intérêt pour l’accélérateur SPIRAL2. L’expérience a confirmé les attentes de la conception avec des intensités multipliées par 2,5 pour l’argon : 120 µA d’Ar14+ et multipliées par 2 pour le calcium avec 39 µA de Ca14+ (ce dernier résultat est à confirmer par une nouvelle campagne de mesure au printemps 2019). La figure 10 compare des spectres d’ions significatifs obtenus avec la version précédente (V2 en bleu) et la nouvelle version (V3 en rouge).

POLE 9

Figure 9 : Source d’ions PHOENIX V3 (cylindre vert sur la gauche) installée sur le Banc Fort Courant. Le dipôle DI3 modifié et installé en 2018 est visible en rose foncé sur la droite

Un effort important a été réalisé en 2018 pour améliorer le niveau de vide et le transport des ions dans la ligne d’analyse appelée « Banc Fort Courant » (visible sur la figure 9). Le spectromètre de masse d’origine a été remplacé par le dipôle DI3 qui était utilisé sur le cyclotron SARA. Ce dipôle a été modifié afin de pouvoir y placer une chambre ultravide de hauteur plus importante que la chambre initiale. Cette chambre a été réalisée à l’atelier du LPSC. Ceci a permis d’améliorer la transmission et la séparation des faisceaux d’ions après le dipôle pour mieux identifier les espèces ioniques émises par la source d’ions et mieux mesurer les émittances.

L’installation de la source d’ions au GANIL est planifiée à l'automne 2019 et marquera la fin d’un long investissement du LPSC (depuis 2004) dans le cadre de la construction de l’accélérateur SPIRAL2.

POLE 10POLE 11

Figure 10 : Gauche: meilleur spectre de production d’ions multichargés de PHOENIX V2 (bleu) et V3 (rouge) pour la même pression limite d’opération de V2.
Droite: le même spectre V2 (bleu) est comparé au spectre de V3 optimisé pour la production d’Ar14+ grâce à une pression de neutre plus basse (rouge).

 

7. Développement d'une source d'ions ECR à 5.8GHz

J. Angot, M. Baylac, L. Bonny, J. Jacob, P. Sole, T. Thuillier

Le pôle Accélérateurs et Sources d’ions a poursuivi le développement et les tests de la source d’ions ECR fonctionnant à la fréquence de 5,8 GHz. L’objectif est de mettre au point une source d’ions relativement compacte, bon marché, utilisable dans les laboratoires et l’industrie et fournissant des intensités de faisceau de protons ou d’ions moyennement chargés, de l’ordre du mA pour une faible puissance injectée. De nombreuses modifications ont été apportées afin d’améliorer les performances et la fiabilité de la source et deux nouvelles versions ont été réalisées. La deuxième version est utilisée sur l’accélérateur GENEPI2 du LPSC où elle donne entière satisfaction (1mA de protons). Une troisième version a été mise au point (cf. fig. 11). Les améliorations ont porté d’une part sur un renforcement de la structure magnétique et d’autre part sur une amélioration du couplage de la puissance haute fréquence au plasma (remplacement du câble coaxial amenant cette puissance par un guide d’onde circulaire avec un insert en nitrure de bore). Enfin, une nouvelle extraction a été mise au point afin d’améliorer le transport du faisceau dans la ligne d’analyse. Les résultats marquants sont la production de 3.7 mA de protons à la puissance HF de 31W et la productions d’argon jusqu’à la charge 6+.

POLE 12

Figure 11 : Troisième version de la source compacte 5.8 GHz.

8. Boosters de charge

J. Angot, M. Baylac, L. Bonny, J. Jacob, M. Migliore, P. Sole, T. Thuillier
N. Emeriaud, C. Geraci, J. Giraud, D. Grondin, H. Lucas-Henriques (CDD), D. Morotti, Y. Odievre , S. Roni, S. Roudier (Service Études et Réalisations Mécaniques)

Développement de la source d’ions ECR « Booster de charge »

Le Pôle développe depuis les années 2000 une source d’ions ECR de type « Booster de charge ». Ces sources d’ions sont utilisées dans les accélérateurs utilisant la méthode ISOL (Isotope Separation Online) visant à étudier les faisceaux d’ions exotiques. Elle a pour but d’augmenter l’état de charge d’un faisceau d’ions 1+ généré dans un ensemble cible source de façon à faciliter sa post-accélération. La source est caractérisée sur le banc de tests 1+N+ (Fig. 12). En Europe, un Booster de charge du même type est en exploitation au Ganil (Caen, France) sur la ligne SPIRAL 1 upgrade. Un autre, fabriqué au LPSC en 2014, sera utilisé dans le cadre du projet SPES au LNL (Legnaro, Italie). Le LPSC collabore avec ces deux laboratoires pour continuer la R&D sur le Booster de charge.

Au LPSC, un plan de développement a été élaboré dans le but d’améliorer les performances de cet instrument.

Une première étape, implémentée en 2016, a consisté à améliorer le confinement magnétique axial. La campagne de mesures qui a suivi a permis de montrer une nette amélioration de l’efficacité de conversion 1+→N+. Par exemple pour le Na8+ l’efficacité a progressé de 3.3 % à 12.9 % avec des temps de conversion proches.

L’étape suivante visera à raccourcir la source de 8 cm en supprimant une bobine axiale, ce qui permettra de faciliter les réglages et d’optimiser les performances. Les pièces sont en cours de fabrication et les expérimentations sont prévues pour démarrer à l’automne 2019.

Enfin, la dernière étape va consister à augmenter significativement le volume de la chambre à plasma (Ø72 à Ø100 mm), à diminuer le niveau de vide résiduel pour augmenter l’état de charge des ions N+ et enfin à réduire le taux des contaminants dans les faisceaux d'ions extraits. Cette configuration, en cours de conception mécanique, sera testée en 2021. L’ensemble des études de conception mécanique et la fabrication de la majeure partie des pièces est prise en charge par le Service Études et Réalisations Mécaniques du LPSC.

Le faisceau injecté dans le plasma du Booster de charge peut être utilisé pour étudier les plasmas ECR. Plusieurs campagnes expérimentales, menées dans le cadre de collaborations internationales, ont été réalisées et ont fait progresser la compréhension du plasma ainsi que les processus de capture et multi-ionisation mis en jeu dans ce type de sources.

POLE 13

Figure 12 : Banc de tests 1+N+.

Réduction des contaminants du Booster de charge SPES

Un contrat de collaboration a été signé en Septembre 2018 entre le LNL et le LPSC. L’objectif est de réduire le taux de contaminants co-extraits avec le faisceau d'ions N+. En effet, le plasma ECR ionise le gaz support du plasma ainsi que les ions injectés, mais aussi des contaminants de différentes provenances (dégazage des parois, impuretés des gaz support, pulvérisation des parois par le plasma, ...) qui peuvent se mélanger au faisceau d'intérêt (Fig. 13). Le rapport signal sur bruit est capital dans la méthode 1+→N+ car les taux de production des ions radioactifs peuvent être très faibles (<106 pps). Si cette contamination est importante et mal gérée après le booster, l’étude de l’élément radioactif peut être compromise.

Ce contrat prévoit la fabrication de 3 chambres à plasma en aluminium ainsi que des campagnes expérimentales sur le banc de tests 1+N+ pour comparer différentes configurations, notamment avec l’utilisation de chemisages placés à l’intérieur de la chambre à plasma.

La conception mécanique des chambres à plasma en aluminium a débuté avec le support du Service Études et Réalisations Mécaniques du LPSC.

Afin de préparer au mieux ces expériences, une jouvence de la ligne 1+N+ est en cours. Pour faciliter l’alignement des éléments, des ports de visée vont être créés. Pour réduire les contaminants provenant de la ligne 1+N+, la ligne va être entièrement nettoyée et passée en standard ultra vide. Les modifications mécaniques sont en cours et la ligne est prévue d'être opérationnelle en Juillet 2019 pour commencer les expérimentations pour SPES en Septembre 2019.

POLE 14

Figure 13 : exemple de spectre d'ions en fonction du rapport de masse/charge des contaminants mesurés selon 2 modes de fonctionnements du Booster de charges (tracés rouge et bleu). Pics d’argon, d’oxygène, d’azote et de carbone indiqués pour des raisons de commodité.

9. Projet METIS

J. Angot, L. Bonny, J.B. Cully, J. Jacob, A. Leduc, P. Sole, T. Thuillier
N. Emeriaud, C. Geraci, J. Giraud, D. Grondin, H. Lucas-Henriques (CDD), D. Morotti, Y. Odievre , S. Roni, S. Roudier (Service Études et Réalisations Mécaniques)

Une bourse de doctorat, cofinancée par l’IN2P3 et la région Normandie, a été obtenue à compter du 1er novembre 2016 pour étudier la dynamique des ions calcium dans une source d’ions à la résonance cyclotronique électronique. Le travail de thèse est co-encadré par L. Maunoury du GANIL et T. Thuillier du LPSC. L’objet de la thèse est d’étudier la dynamique des atomes et ions calcium dans le plasma de la source, d'identifier les pertes et de comparer les résultats de la simulation avec des mesures expérimentales. Un code de simulation hybride permettant d’étudier l’évolution temporelle de la population des ions multichargés dans la source d’ions PHOENIX V3 est en cours de développement. Dans la source d'ions PHOENIX V3, les atomes de calcium sont injectés dans le plasma de la source grâce à un mini four qui évapore un échantillon de calcium solide. La probabilité de conversion d’un atome de calcium en ion utile extrait de la source est habituellement compris entre 5 et 20%. Cette faible efficacité a d'importantes répercussions financières compte-tenu du coût du 48Ca (environ 200 k€/g). Un système chauffant thermo-régulé a été conçu et est en cours de construction au LPSC. Il sera testé en 2019 pour étudier l’efficacité de transformation d’atome en faisceau d’ions calcium en fonction de sa température.

10. Etude des instabilités cinétiques dans les plasmas RCE

J. Angot, M. Baylac, B. Bhaskar, L. Bonny, J.B. Cully, J. Jacob, T. Lamy, A. Leduc, P. Sole, T. Thuillier

Les performances des plasmas des sources d’ions à la résonance cyclotronique électronique (RCE) sont limitées par les instabilités cinétiques dues à l’anisotropie de la fonction de distribution des vitesses des électrons chauds du plasma. L’origine de cette anisotropie est inhérente au mécanisme de chauffage RCE qui augmente essentiellement la vitesse des électrons perpendiculairement aux lignes de champ magnétique. Lors des instabilités, un fort rayonnement synchrotron est observé, couplé à un déconfinement rapide d’électrons chauds. Il s’ensuit un déconfinement des ions et une perte de la population des ions multichargés du plasma sur plusieurs millisecondes, ce qui nuit à la stabilité des faisceaux d’ions produits pour les accélérateurs. Une thèse a démarré sur le sujet en décembre 2017, elle fait l'objet d'une cotutelle entre l’Université Grenoble Alpes et l’Université de Jyvaskyla (Finlande). En 2018, le travail a consisté à modéliser la surface magnétique de la résonance en fonction des paramètres de réglage de la source d’ions, à l’aide d’ajustements multi-paramètres en trois dimensions. Des expériences de mesure des instabilités ont été menées à Jyväskylä et au LPSC en fonction des paramètres de la source d’ions. Le travail d’analyse est en cours pour rechercher des possibles corrélations entre la présence d’instabilités et une topologie particulière du champ magnétique.