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Isabelle BAILLY Laboratoire des Accélérateurs ElectroStatiques SFP-Journées Accélérateurs PORQUEROLLES 5-7 Octobre 2003.

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1 Isabelle BAILLY Laboratoire des Accélérateurs ElectroStatiques SFP-Journées Accélérateurs PORQUEROLLES 5-7 Octobre 2003

2 Présentation générale Les Accélérateurs Électrostatiques 4MV et 7MV Applications des Accélérateurs ÉlectroStatiques Production de neutrons monocinétiques Pulsation et Compression Laboratoire des Accélérateurs ÉlectroStatiques

3 LAES (I) Laboratoire des Accélérateurs ÉlectroStatiques 11 personnes 2 ingénieurs – chercheurs (annexe I) 9 opérateurs machine (annexe II) correspondant utilisateur GSR cibles de production spécialistes technique de vide, mécanique…… 2 accélérateurs électrostatiques Van de Graaff 4 MV Van de Graaff – tandem 7 MV Département de Physique Théorique et Appliquée (DPTA) Service de Physique des Accélérateurs et Applications (SP2A)

4 Laboratoire des Accélérateurs ÉlectroStatiques Analyse matériaux (DRMN,DMAT) pôle CEA ( DSM, DSV) + extérieur Physique nucléaire (DPTA) Vieillissement (DRMN,DCRE,DPTA) Etalonnage détecteurs neutron (DCRE,DPTA,DRMN) 28 % 20% 15.6% 22.4% 14% Distribution du temps de faisceau en H, 2 H, 3 He, 4 He, Basse énergie et fort courant Faisceaux secondaires :  + Neutrons (+ monitorage) Energie: 30 keV  7 MeV et > 15 MeV Flux ~10 7 n/s/sr Tandem Van de Graaff 7 MV 1 H, 2 H, 3 He, 4 He, … Haute énergie, courant moyen C …  Au Energie: qqMeV/u Faisceaux secondaires: neutrons Van de Graaff 4 MV LAES (II)

5 Laboratoire des Accélérateurs ÉlectroStatiques Système de management de la QUALITE Norme ISO 9001 version 2000 CLIENTS exigences CLIENTS Satisfaction Responsabilité de la direction Management des ressources Mesures, analyse et amélioration Réalisation du produit PRODUIT Suite….. management environnemental norme ISO Amélioration continue du système de management de la qualité LAES (III)

6 LAES (IV) Expression du besoin : Demande de temps de faisceau Établissement d’un planning de répartition du temps de faisceau Liens avec le client ?

7 LAES (V) Aspect sécurité (et Environnement ?) Norme ISO Programme expérimental décrit par le client-utilisateur

8 LAES (VI) Indicateurs de satisfaction client Temps de disponibilité faisceau % d’objectifs atteints par le client

9 Les Accélérateurs ÉlectroStatiques Acc. (I) 5 lignes de faisceau 2 salles d’expérience Plan de l’accélérateur électrostatique Van de Graaff 4 MV

10 Acc.(II) Les Accélérateurs ÉlectroStatiques 1 H, 2 H, 3 He, 4 He Énergie 500 keV à 4 MeV Faisceau continu : courant > 300µA pour des énergies > 1.5 MeV Faisceau pulsé : -Par hachage entre la source et le tube accélérateur : 10 ns, 2.5 MHz -Par compression magnétique MOBLEY : 1 ns, 2.5 MHz Xe : Énergie jusqu’à 1.5 MeV: mesure 12 µA à 1.2 MeV Caractéristiques des faisceaux d’ions de l’accélérateur électrostatique Van de Graaff 4 MV

11 Acc. (III) Les Accélérateurs ÉlectroStatiques 1 Source IBA 2 Source iconex source alphatross LA01: salle d’expérimentation n°1 LA02: salle d’expérimentation n°2 LA03: salle d’expérimentation n°3 LA04: hall accélérateur 7 lignes de faisceau et 4 salles d’expérience Accélérateur électrostatique Van de Graaff- Tandem 7 MV

12 Acc. (IV) Les Accélérateurs ÉlectroStatiques Caractéristiques des faisceaux d’ions de l’accélérateur électrostatique Van de Graaff –tandem 7 MV Source IBA : 1 H, 2 H Énergie 2 à 14 MeV Source en continu + faisceau en continu, courant limité à 20 µA Source en continu + faisceau pulsé, 1à 2 ns, I moyen ~1 µA, fmax = 2.5 MHz Source en mode pulsé, 100 µs, I crête = 300 µA, fréquence max = 100 Hz Source ALPHATROSS : 3 He, 4 He Énergie 2 à 21 MeV mode continu faisceau en continu, courant entrée machine 1.5 µA faisceau pulsé, ~2ns, I moyen = 50 nA, fmax = 2.5 MHz Source ICONEX 860 : Ions lourds (B, C, F, P, S, Ni, Cu, …I, Au) Énergie: de quelques MeV à 100 MeV selon les ions en mode continu Le courant dépend de -l’ion accéléré -de l’état de charge faisceau pulsé, qq ns, fmax = 2.5 MHz

13 Appli. (I) Domaine d’utilisation des accélérateurs électrostatiques Physique nucléaire et neutronique : -CARMEN -CIRENE : -MUSTARD : Étalonnage de détecteur : - dosimètrie neutronique, - étalonnage neutrons, - spectromètrie  Irradiations de matériaux : (modulation dose, débit, énergie des ions, dépôt par particule) - vieillissement du Pu - radiobiologie sur cellules vivantes - modélisation irradiation spatiale Analyses de matériaux : (par microsonde et/ou par faisceau d’ions non focalisé) - éléments constituants - profil de concentration… caractérisation des isomères

14 Appli. (II) Physique Nucléaire Mesure des sections efficaces (n, xn) Production d’un « faisceau » collimaté de neutrons monocinétiques Casemate en béton Mur en plomb CARMEN Compteurs Associés Relatif à la Mesure des Neutrons Spectre en énergie des neutrons (à angle et énergie incidente donnés) corrélé à la multiplicité neutronique de chaque réaction

15 Appli. (III) Objectif principal est une exploration approfondie des sites célestes émissifs dans la bande spectrale des rayons gamma de basse énergie.rayons gamma INTEGRAL (International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory) mission astronomique de l'Agence Spatiale Européenne. Etalonnage du spectromètre d’INTEGRAL sur le site de DIF (accélérateur VdG-4 MeV) 1- étalonnage en énergie par des photons  émis par des sources (E=60 keV à 1.8 MeV) ou produits par interaction ions-cible (E=1.8 à 8 MeV) 2- reconstitution des images Étalonnage avec des sources lointaines

16 Appli. (IV) Scintillator Ne102 + PM Feuille de fin de ligne (HAVAR) puits de culture de cellules Irradiation de culture de cellules Faisceau diffusé sur une feuille d’or et extrait du vide des lignes, Pour la DSV, faisceau de particules alpha d’énergie à l’entrée de la cellule variable de 2 à 16 MeV, de 10 4 à 10 9  /cm²/s

17 neutron (I) Production d’un champ de Neutrons Monocinétiques Cible de production Ti/T, Ti/D, 7 Li Support Au ou Ta Faisceau primaire d’ions (p ou d) Détecteur neutron NE213 + PM BF3 Chaîne d’acquisition  programme de calcul cinématique de réaction et de flux de neutron: + énergie du faisceau primaire/ faisceau neutron en fonction de l’angle + détermination du nombre de neutrons/s/sr ± incertitude

18 neutron (II) réaction (p ou d) sur cibles solides => courant limité à 6 µA Énergie neutron (MeV)réaction Énergie ions (MeV)0°20° 0.03< En <0.7 7 Li(p,n) 7 Be 1.93< Ep <2.4 ~ ~ < En <3.0 T(p,n) 3 He 1.3< Ep <4.0 ~ ~ < En <7.0 D(d,n) 3 He 1.0< Ed <4.0 ~ ~ T(d,n) 4 He 0.5< Ed <4.0 ~ ~ neutron/s/sr Gamme d’énergie et Flux de neutrons

19 neutron (III) Moniteurs du flux de neutrons Compteur directionnel à BF3 Scintillateur NE213 + Photomultiplicateur + électronique pour une discrimination neutron-gamma, seuil de détection à ~ 4 MeV neutron

20 Compression (I) Nécessité d’un faisceau pulsé et d’une compression associée x4 x10 Mesure de l’énergie des neutrons par la méthode de temps de vol Pour une pulsation à 2.5 MHz soit 400 ns de récurrence

21 Compression (II) Création d’un faisceau pulsé de 2.5 MHz Description 2D du champ électrique: Pulsation par Lissajous TANK pulsation cavité dipôle 400 ns source J.-G. MARMOUGET

22 Compression (III) Regroupeur HF de VdG-4MV ligne Mobley – cavité déviatrice 20 MHz J.-G. MARMOUGET

23 Compression (IV) Champ électrique dans la cavité Mobley J.-G. MARMOUGET

24 Compression (V) Evolution de la durée du pulse Calcul d’enveloppe du faisceau de protons de 4 MeV. Calcul TRACEWIN J.-G. MARMOUGET

25 CONCLUSION 2 accélérateurs électrostatiques VdG – 4MV et VdG tandem-7MV le gamme en énergie s’étend de 500 keV à 14 MeV pour p et d production de champ de neutrons monocinétiques avec une gamme en énergie de 30 keV à 7 MeV et 15 à 21 MeV Nécessité de faisceau pulsé de courte largeur temporelle ~1ns Faisceau pulsé par Lissajous 2 modes de compression temporelle par modulation transverse (compression MOBLEY) par modulation longitudinale (Buncher haute énergie)


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