ISOLDE POWER CONVERTERS Présentation des convertisseurs de puissance et de leur contrôle à distance pour la zone expérimentale ISOLDE Julien Parra-lopez AB/PO-PH 19/05/2005

ISOLDE POWER CONVERTERS Sommaire: 1● La machine ISOLDE 1-1 Situation 1-2 Principe 2● Utilisation des convertisseurs de puissance 2-1 Le Front-end - les cibles - l’accélération 2-2 Les séparateurs 2-3 Les ‘Beam-line’ 3● Le contrôle à distance des convertisseurs 3-1 Simatic S7/300 et S7/400 ISOLDE POWER CONVERTERS

1-1 Situation du hall d’expérience Isolde dans le complexe PS Le faisceau de proton est issue de l’accélérateur Booster En rouge les deux cibles où débute la physique ISOLDE POWER CONVERTERS

ISOLDE POWER CONVERTERS 1-2 Principe Exemple: Séparateur GPS ● La machine Isolde utilise 2 cibles fixes (HRS et GPS) portées au potentiel de 60kV pour produire des radionucléides instable. ● Dans le partie cible (Front-end) les radionucléides sont ionisés pour ensuite être accélérés. ● En seconde partie ont trouve le spectromètre qui permet grâce aux aimants magnétiques de composer un faisceau dépendent de la masse des radionucléides. ● La dernière partie est le transport de ces masses vers les différentes expériences. Le transport du faisceau est assuré par des quadrupoles, kickers, benders électrostatiques étant donné sa faible énergie. ISOLDE POWER CONVERTERS

2- Utilisation des convertisseurs de puissance 2-1- Front-end Le Front-end est le support pour la cible et l’accélérateur pour les radionucléides*. * Les radionucléides sont des nucléides radioactifs capables de se transformer spontanément en un autre nucléide, avec éventuellement émission de particules chargées, rayons X ou de rayons gamma. Dans notre cas les radionucléides sont produits par fission provoquée par l’impact du faisceau de protons (1.4GeV) issue de l’accélérateur Booster. ISOLDE POWER CONVERTERS

ISOLDE POWER CONVERTERS Front-end: partie avant avec la cible Front-end: partie avant support pour la cible Intérieur de la cible ISOLDE POWER CONVERTERS

ISOLDE POWER CONVERTERS Les cibles Surface Ion source Dans la cible les radionucléides vont être ionisés (positif) pour pouvoir être accélérés. La ionisation positive consiste par différent procédé de supprimer un électron aux radionucléides. Ont utilise pour cela différentes type de cibles. ISOLDE POWER CONVERTERS

Pour ce type de cible ont utilise deux convertisseurs Cible SURFACE Le container est chauffé à 2000°C avec le convertisseur ‘target’ pour dégazé des nucléides. L’impact du faisceau de protons produit des radionucléides par fission. Ensuite dans la ‘ligne’ (2000°C) la ionisation ce fait en surface par absorption d’un électron contre les parois. Pour ce type de cible ont utilise deux convertisseurs YOL.TARGET-HEAT: 1000A/10V YOL.LINE-HEAT: 600A/10V ISOLDE POWER CONVERTERS

Le radionucléide ce ionise en traversant le tube (LINE) Annimation Le radionucléide ce ionise en traversant le tube (LINE) 60kV 0kV + 2V L’ion “voit” le 60kV et l’accéleration commence ISOLDE POWER CONVERTERS

Pour ce type de cible ont utilise quatre convertisseurs Cible PLASMA Le container est chauffé à 2000°C pour dégazé des nucléides. L’impact du faisceau de protons produit des radionucléides par fission. Ensuite avec la ‘ligne’ (2000°C) des électrons sont crées puis enfermés dans la cage ‘Anode’ où un champ magnétique les fait tourner pour augmenter leurs chances de croiser un radionucléide. Quant le radionucléide est percuté par un électron il est ionisé. Pour ce type de cible ont utilise quatre convertisseurs YOL.TARGET-HEAT: 1000A / 10V YOL.LINE-HEAT: 600A / 10V YOL.ANODE1: 300v / 5A YOL.SCRMAG: 52V / 30A Il existe d’autres cibles portant à sept le nombre total de convertisseurs nécessaire. ISOLDE POWER CONVERTERS

ISOLDE POWER CONVERTERS Ionisation plasma e e e e e e e Les électrons produits utilisent l’énergie fournie par le champ électrique pour “éjecter” un électron au radionucléide. ISOLDE POWER CONVERTERS

L’accelération des radionucléides Une fois les radionucléides ionisés (leur charge est donc positive) ils peuvent être accéléré. Le potentiel de la cible est de 60kV et le potentiel de l’électrode qu’ils vont rencontrer est 0V. Les Radionucléides vont donc être accélérés par le champ électrique entre la cible et l’électrode d’extraction. Leur énergie = 60keV* C’est la seule accélération qu’ils vont recevoir jusqu’à leur analyse. *1eV (électron-volt): énergie acquise par un électron accéléré par une différence de potentiel d'un volt. ISOLDE POWER CONVERTERS

Chassis Front-end à la terre 60kV nécessaire a l’accélération Du fait de l’accélération il faut isoler la partie cible 60kV du reste de la machine référencée à la terre. Chassis Front-end à la terre Tension de 60kV nécessaire a l’accélération Isolateur 60kV ISOLDE POWER CONVERTERS

Comment connecter les convertisseurs de puissance à la cible 60kV ? Le but est d’utiliser des convertisseurs standard alimenté par 400V AC, le problème est de les porter à 60kV. Le réseau 400V AC avec 60kV d’offset est fourni à la plate-forme des convertisseurs par le transformateur d’isolation. ISOLDE POWER CONVERTERS

2-2 Les séparateurs de masse (Spectromètres) Le faisceau maintenant accéléré contient une variété de radionucléide ( Isotopes* ). L’étape suivante est la séparation suivant leur masse. GPS est concu avec un aimant séparateur et HRS avec deux pour une plus grande précision. Suivant la masse des Isotopes ils vont être déviés vers les expériences ou perdus si ils sont trop lourds. Ce sont trois convertisseurs de puissance Bruker à banc de transistors qui alimente les trois aimants. Rappel: il existe deux séparateurs de masse à Isolde ( un par cible) GPS: General Purpose Separator HRS: High resolution separator * En physique nucléaire, un isotope est un corps simple ayant le même numéro atomique qu'un autre, des propriétés chimiques presque identiques (même élément chimique), mais une masse atomique différente. Les différences physiques entre isotopes d'un même élément sont dues à la différence de constitution du noyau de l'atome : le nombre de protons, correspondant à son numéro atomique Z, reste toujours inchangé ; c'est le nombre de neutrons N qui diffère d'un isotope à l'autre d'un même élément ISOLDE POWER CONVERTERS

Le faisceau d’Isolde n’a pas beaucoup d’énergie (60keV). 2-2 Les Beam-line Le faisceau d’Isolde n’a pas beaucoup d’énergie (60keV). Pour diriger le faisceau un simple champ électrique suffit, les quadrupoles, kickers et benders sont donc électrostatiques. Les convertisseurs sont des sources Haute tension variant de 700v à 6500V basées sur la topologie switching avec transformateur élévateur. Les éléments électrostatiques de la machine ne consomme pas de courant (uniquement polarisés), se qui réduit la puissance des convertisseurs (2 à 7W). Vue d’ensemble des convertisseurs HT Isolde Beam-line ISOLDE POWER CONVERTERS

3- Le contrôle à distance des convertisseurs 3-1 Simatic S7/300 et S7/400 Le contrôle à distance est réalisé avec des automates Siemens S7/300 et S7/400. Les entrées/sorties (DAC, ADC, DO, DI) sont déportées du CPU par le réseau de terrain Profibus. Possibilité d’utiliser de la fibre optique pour le contrôle à 60kV Les CPUs sont reliés au système de contrôle du PS par Ethernet Contrôle LOCAL à l’aide de clavier / afficheur Siemens directement connecté au CPU Exemple S7/300 (machine Off-line separator) ISOLDE POWER CONVERTERS

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ISOLDE POWER CONVERTERS FIN ISOLDE POWER CONVERTERS

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