T. Thuillier, LPSC, Journées Accélérateurs, Roscoff, 14 Octobre 2013 ROSCOFF 2013 LES SOURCES D'IONS ECR SUPRACONDUCTRICES DE 3 ÈME GÉNÉRATION: TECHNOLOGIE,

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1 T. Thuillier, LPSC, Journées Accélérateurs, Roscoff, 14 Octobre 2013 ROSCOFF 2013 LES SOURCES D'IONS ECR SUPRACONDUCTRICES DE 3 ÈME GÉNÉRATION: TECHNOLOGIE, PERFORMANCES ET LIMITATIONS

2 T. Thuillier, LPSC, Journées Accélérateurs, Roscoff, 14 Octobre 2013 SOMMAIRE INTRODUCTION AUX SOURCES ECR LES SOURCES DE 1 ère, 2 ème ET 3 ème GENERATION TECHNOLOGIE DES SOURCES DE 3 ème GENERATION PERFORMANCES LIMITATIONS PERSPECTIVE FRANCAISE 2

3 T. Thuillier, LPSC, Journées Accélérateurs, Roscoff, 14 Octobre 2013 Les ingrédients d’une source ECR d’ions multichargés 3 Faisceau d’ions Extrait vide Champ électrique Puissance RF Atomes Une cavité métallique cylindrique (multimode en RF) Un vide secondaire 10 -5 -10 -8 mbar (minimiser l’échange de charge) Une bouteille magnétique (minimum-B) pour confiner les particules chargées par effet miroir magnétique Une injection d’atomes (gaz ou vapeurs métalliques) Génération d’un plasma Stable d’électrons chauds et d’ions multichargés froids Un champ électrique accélérateur pour extraire le faisceau d’ions Lignes de champ Iso-B INTRODUCTION AUX SOURCES ECR

4 T. Thuillier, LPSC, Journées Accélérateurs, Roscoff, 14 Octobre 2013 Confinement magnétique d’une source ECR 4 Le champ magnétique est la superposition d’un miroir magnétique axial et d’un champ radial hexapolaire La surface ECR (|B|=B ECR ) est fermée Iignes Iso-B z BzBz Axial Mirror B ECR Source LBNL Champ hexapolaire Source RIKEN, Nakagawa |B|(x,z) z 2r Source D. Xie INTRODUCTION AUX SOURCES ECR

5 5 La première Source d’ion ECR: SUPERMAFIOS 1975 Inventée au CEA Grenoble par l’équipe de R. Geller Bernard Jacquot Supermafios une machine de fusion de 3 MW modifiée pour produire des faisceaux d’ions (CIRCE) La légende dit qu’à l’allumage de la machine, la moitié de la ville de Grenoble a été plongée dans le noir R. Geller SOURCE DE 1ERE GENERATION T. Thuillier, LPSC, Journées Accélérateurs, Roscoff, 14 Octobre 2013

6 SUPERMAFIOS: source de 1 ère génération 2 étages de plasma étage 1: 16 GHz axi-symétrique ions 1+ Étage 2: minimum-B à 8 GHz  ions multichargés Faisceaux typique de la 1ère génération: ~100 µA Ar 8+ ~100 µA O 6+ Une dizaine de sources ont été développées dans le monde LBL-ECR encore en opération au LBNL (CA, USA) 6 SOURCE DE 1ERE GENERATION

7 T. Thuillier, LPSC, Journées Accélérateurs, Roscoff, 14 Octobre 2013 Source de 2 ème génération: exemple d’ECR4 au GANIL(1989) Des dizaines en opération dans le monde 1 er étage plasma supprimé Hexapole aimant permanent Injection RF coaxiale Piston d’accord f ECR =14.5 GHz Faisceau typique: ~650 µA Ar 8+ ~800 µA O 6+ Volume chambre: V~0.5 l Ø64 mm  L200 mm Champ magnétique à la paroi ~1 T 7 400 mm 1.04 T 0.8 T 0.35 T B ECR ~0.5 T Axial Magnetic field lines (ECR4M) FeNdB hexapole SOURCE DE 2EME GENERATION

8 T. Thuillier, LPSC, Journées Accélérateurs, Roscoff, 14 Octobre 2013 Source de 3 ème génération (3G) f ECR =24 - 28 GHz 4 en opération:, 4 en projet: 8 SOURCE DE 3EME GENERATION

9 T. Thuillier, LPSC, Journées Accélérateurs, Roscoff, 14 Octobre 2013 Les sources 3G existantes 9 SECRAL, Lanzhou, Chine VENUS, LBL, USA SUSI, MSU, USA RIKEN SC ECRIS,Japon SOURCE DE 3EME GENERATION

10 T. Thuillier, LPSC, Journées Accélérateurs, Roscoff, 14 Octobre 2013 Source 3G: exemple de VENUS (LBNL) Démarrage projet 1998 -> 1 er plasma 2002 Aimant supraconducteur: hexapole et solénoïdes Champ magnétique à la paroi ~2T Volume Chambre V~8 l Ø140 mm x 500 mm f ECR =18+28 GHz Cryogénie LHe + LN 10 4T 0.4T 3T Profil axial 500 mm Profil magnétique radial le long de l’axe de la source à R=7 cm 2.2 T à Ø=140 mm SOURCE DE 3EME GENERATION: TECHNOLOGIE

11 T. Thuillier, LPSC, Journées Accélérateurs, Roscoff, 14 Octobre 2013 VENUS: cryostat et masse froide 11 Cryocooler Flange LN Reservoir (70 K) LHe (upper cryostat) Reservoir (4.2 K) 50 K Shield Cold Mass with Coils Enclosed Iron Yoke Vacuum Vessel Warm Bore Plasma Chamber HTC Leads 8leads Tourelle de service Cryostat Vacuum Feed throughs Power Feed through (1 out of 8) Links (4) 77K LN pour thermaliser les 8 amenées De courant (70 W) Circuit Fermé: He recyclé par recondensation des vapeurs vers le réservoir de LHe Ecran thermique à 50 K alimenté par le 1et étage Des cryocoolers SOURCE DE 3EME GENERATION: TECHNOLOGIE

12 T. Thuillier, LPSC, Journées Accélérateurs, Roscoff, 14 Octobre 2013 Argon Performance des sources ECR en Argon 12 meilleure G2 aimants chauds à 18 GHz (GTS) Source: G.Machicoane, MSU/NSCL,ICIS’11, modified Sources supra De large volume ECRIS - G3 G1 ECRIS! SOURCE DE 3EME GENERATION: PERFORMANCES

13 T. Thuillier, LPSC, Journées Accélérateurs, Roscoff, 14 Octobre 2013 Performance en uranium (test VENUS LBNL+MSU) Spectre impressionant! Four 2000°C avec un creuset en Rhenium Consommation U ~9 mg/h 2 kW 18 GHz+6.5 kW 28 GHz VENUS réglée à fond transmission LEBT limitée à 22 kV drain HV 9 mA, CF tot~5mA Pas de limitation du côté source, qui répond à la HF et à la température four 13 U 33+ U 34+ U 35+ O 3+ O 2+ M/Q Current (e  A) Emittance compatible avec les spécif. de FRIB H V Valide l’operation de FRIB avec 220 µA U 33+ + 220 µA U 34+ SOURCE DE 3EME GENERATION: PERFORMANCES

14 T. Thuillier, LPSC, Journées Accélérateurs, Roscoff, 14 Octobre 2013 Résumé des perfomances de VENUS (référence) 14 High Intensity or High Charge State Beams Beam CurrentMethod 4 He 1+ 20000eµAgas 4 He 2+ 11000eµAgas 16 O 6+ 3000eµAgas 16 O 7+ 925eµAgas 40 Ar 12+ 860eµAgas 40 Ar 16+ 133eµAgas 40 Ca 11+ 400eµALoT Oven 124 Xe 26+ 432eµAgas 124 Xe 30+ 211eµAgas 124 Xe 42+ 1eµAgas 138 U 33+ 450eµAHiT Oven 138 U 50+ 13eµAHiT Oven 209 Bi 31+ 300eµAHiT Oven 209 Bi 50+ 5.3eµAHiT Oven SOURCE DE 3EME GENERATION: PERFORMANCES

15 T. Thuillier, LPSC, Journées Accélérateurs, Roscoff, 14 Octobre 2013 Effet de fréquence ou effet de volume? 15 SOURCE DE 3EME GENERATION: DISCUSSION

16 T. Thuillier, LPSC, Journées Accélérateurs, Roscoff, 14 Octobre 2013 Perforation chambre à plasma Phénomène observé dans tous les laboratoires A forte puissance P>2-7 kW selon dimension chambre à plasma, et pression de fonctionnement Les électrons chauds fuient prioritairement là où le champ magnétique est minimum A la paroi en général Densité de puissance locale >1~5 MW/m 2 L’eau se vaporise localement dans le circuit de refroidissement (malgré 15 bars/ 8-15 l/min) La température de paroi monte au dessus de 100°C Sur VENUS Température aluminium> 280°C => recristallisation observée Formation progressive d’un cratère puis d’un canal poreux => fuite d’eau On se rapproche doucement des soucis des Tokamaks… 16 Trou dans la chambre à plasmas de VENUS Recristalisation Alu chambre interne VENUS SOURCE DE 3EME GENERATION: LIMITATIONS

17 T. Thuillier, LPSC, Journées Accélérateurs, Roscoff, 14 Octobre 2013 « Cuisson » de l’isolant haute tension Les électrons chauds génèrent un énorme flux de RX radial Cuisson lente de L’isolant HT Ambiance autour de la source: 0.1-100 mSv/h !! La source est activement blindée La source est en zone d’accès contrôlé La couleur de la zone dépend de la puissance HF injectée… Cold Mass with Coils Enclosed Isolant HT (mylar) endommagé Chambre à plasma VENUS VENUS SOURCE DE 3EME GENERATION: LIMITATIONS

18 T. Thuillier, LPSC, Journées Accélérateurs, Roscoff, 14 Octobre 2013 Atténuation des RX par une feuille en Ta Les RX sont atténués par une feuille en Ta de 2mm d’ épaisseur enroulée autour de la chambre à plasma Le flux de RX est diminué d’un facteur de 5 to 10 La puissance des RX arrêté est ~50% Ca n’empêche pas l’isolant de continuer à cuire sur un temps plus long… 18 HV Insulator 2mm Tantalum X-ray Shield Water Cooling Grooves at the plasma Flutes with shield without shield Chambre Plasma Aluminium SOURCE DE 3EME GENERATION: LIMITATIONS

19 T. Thuillier, LPSC, Journées Accélérateurs, Roscoff, 14 Octobre 2013 RX: Echauffement de la masse froide Le blindage en Ta n’arrête pas les RX de haute énergie Une majeure partie du flux de RX restant est efficacement stoppée dans l’épaisseur de la masse froide (Fe, Cu,Nb,Ti,Al…) Un échauffement non négligeable est observé, qui dépend de Bmin (épaisseur surface résonance ECR) 1 W/kW à 28 GHz 0.2 W/kW à 18 GHz 19 Secral SOURCE DE 3EME GENERATION: LIMITATIONS

20 T. Thuillier, LPSC, Journées Accélérateurs, Roscoff, 14 Octobre 2013 Charge d’espace et émittance 20 SOURCE DE 3EME GENERATION: LIMITATIONS

21 T. Thuillier, LPSC, Journées Accélérateurs, Roscoff, 14 Octobre 2013 Perspective pour Spiral2 Nouvelle priorité à la physique des ions stables sur Spiral2 La collaboration S 3 attend de très hautes intensités de faisceaux d’ions multichargés (Q/A=1/3) pour être au meilleur niveau mondial en physique des ions lourds La source de démarrage, (PHOENIX- V2, une « G2 » performante), répond partiellement aux besoins Nécessité d’utiliser une source d’ions G3 supraconductrice pour produire les faisceaux attendus Non financée à ce jour Projet de collaboration LPSC-IRFU- GANIL-IPNL en cours de discussion pour développer la première source supra G3 en europe sur la période 2015-2020 21 PERPECTIVE FRANCAISE

22 T. Thuillier, LPSC, Journées Accélérateurs, Roscoff, 14 Octobre 2013 MERCI POUR VOTRE ATTENTION ! 22