Pôle accélérateurs et sources d’ions Sources (d’ions) pour la Physique Orateur T. Lamy

Contexte scientifique Développements pour les accélérateurs TRIUMF – SPIRAL2 – Beta Beams – SPES Sources d’ions A fonctionnement continu ou pulsé A haute efficacité (Booster de charge) Produisant des faisceaux intenses (100 µA – mA) gazeux ou métalliques Produisant des faisceaux peu intenses (µA) mais de haute stabilité Lignes d’analyse Optique d’extraction (interface source - ligne de transport) Séparation en charge et en masse (filtres de Wien, dipôles magnétiques) Optique de transport (électrostatique et magnétique) solénoïdes, steerers, lentilles de Einzel, lentilles cylindriques Diagnostiques de faisceau Diagnostiques de caractérisation optique et d’intensité Les techniques maîtrisées simulations, conception, mise en oeuvre, mesures physiques Vide, ultra-vide, magnétisme, micro-ondes, haute tension, aimants permanents, courants forts, alignements, sécurité, contrôle-commande... Et surtout l’intégration de toutes ces techniques pour en faire une source fonctionnelle

Principes des sources ECR Phénomène de base Électron dans B Population d’électrons Si h.f = ce Résonance cyclotronique électronique Transfert d’énergie vers les électrons Collision – Ionisation – plasma Confinement électrons ions multi-ionisation + onde électromagnétique ce (rad/s) = e*B/me Confinement magnétique stable MHD Faible confinement instable MHD Meilleur confinement Minimum-B stable MHD Bon confinement H.T. Les charges et courants extraits dépendent de la densité du plasma, du volume de celui-ci, du temps de confinement, de la pression de neutres... Sources ECR performantes: électrons chauds ( centaines de keV), ions froids (quelques eV)

De la basse à la haute intensité ionique Source basse intensité (Ex: MIMAC 2.45 GHz / 300 W) Anneau d’aimants permanents (870 gauss) Une simple antenne 103 ions/s de He2+ à F2+ Source performantes à minimum-B h.f (GHz) Brce (T) 2.45 0.087 10 0.36 18 0.64 28 1 Binj ≈ 4 * BECR Bmed ≈ 0.6 BECR Brad ≈ 2*BECR Bext ≈ 0.9 Brad Lois d’échelles ECR La densité du plasma varie comme h.f 2 Facteur 55 entre 2.45 et 18 GHz Augmenter h.f. c’est augmenter B

Caractérisation des sources : lignes d’analyse Exemples de lignes standard construites par l’équipe sources Ligne N+ Booster Ligne MIMAC: upgrade du filtre de Wien au dipôle magnétique Diagnostiques Aimant d’implanteur Lentille glazer Ligne faisceaux intenses Emittancemètres Allison type

La Ligne Basse Energie de SPIRAL2 (1) Conception QT QT S H Au LPSC la ligne a été assemblée et testée, la source a été conçue et construite Responsables: T. Thuillier et C. Peaucelle (IPNL) Octobre 2008 Mars 2009 Juin 2009

La Ligne Basse Energie de SPIRAL2 (2) Objectifs Validation et optimisation de l’ensemble source d’ions + ligne de tri Tenue Haute-Tension, transport faisceau Tests de l’ensemble des équipements Validation du contrôle commande sous EPICS Tests des diagnostics (CF, fentes, profileurs, émittancemètres…) Validation expérimentale du transport longue durée d’1mA d’06+ à 60 kV Études expérimentales demandées par l’équipe dynamique faisceau Mesure de la résolution du dipôle Validation des calculs d’optique… Commissioning en O, Ar, He, Xénon (+ Calcium) de 2010 à 2012 Alimentations et charges optiques testées et corrigées Automatismes et Contrôle Commande (EPICS) testés et validés Vide : 2. 10-8 mbar Très bonne transmission (92 à 98 %) après optimisation de l’optique Résolution dipôle < 1% (bonne séparation Xe25+ and O3+) Tests Diagnostics : 2 CF, 3 profileurs, 2 jeu de fentes et les émittancemètres

La Ligne Basse Energie de SPIRAL2 (3) Transport de faisceau : comparaison avec la simulation LBE calculée et simulée par le GANIL, CEA/Irfu et IPNO avec Tracewin La simulation a été validée expérimentalement à partir des mesures (CF, profileurs et émittancemètres) L’optique a pu être optimisée automatiquement avec Tracewin pour avoir soit le maximum d’intensité soit le meilleur profil : LBE optimisée pour Ar12+ @ 40 kV H: 0.35 pi.mm.mrad V 0.45 pi.mm.mrad H: 0.30 pi.mm.mrad V 0.25 pi.mm.mrad

PHOENIX V2 source de démarrage de SPIRAL2 Source classique PHOENIX V2 18 GHz / 2 kW Modification et upgrades successifs de la source PHOENIX développée pour les faisceaux de plomb pulsé du LHC (600 µA Pb27+), 3 solénoïdes, 1 hexapole à aimants permanents (FeNdB) plasma 0.6 litre Extraction double électrode Seule source au monde fonctionnant à 60 kV sans plateforme haute tension

PHOENIX V2 : bons résultats Collaboration pour le développement des faisceaux Four LCO du Ganil 200 µA 12+ Argon 60 kV Nickel Faisceaux stables Et reproductibles 21 µA 19+ 1.3 mA 6+ Oxygène

Source intermédiaire : A-PHOENIX Source hybride (2 bobines HTS He free, 1 bobine chaude, aimants permanents) Le plus gros hexapôle du monde Champ magnétique axial Binj≤3 T Bext ≤ 3 T Champ magnétique radial Br =2.1 T (chambre spéciale) Br=1.55 T (aimants permanents) Chambre plasma spéciale 6 doubles inserts en fer 11

Mauvais résultats d’A-PHOENIX Expériences à 18 GHz 2008: 350 µA O6+ seulement (attendu: 1.5 mA) Très faible charge moyenne Mauvais couplage HF suspecté 2009: Nouvelle injection HF mobile Longueur cavité variable (δz~80 mm) Amélioration nette de l’état de charge 2010: 460 µA O6+ Fin 2010 chambre spéciale simples inserts (augmentation Br +0.2 T) 2011: 560 µA O6+ convexité du champ radial, problème magnétique ? Instabilité de type ‘bouteille magnétique’ ? Du fait de la prise en charge de la LBE, temps expérimental insuffisant et discontinu Possibilité de renforcer le champ radial (chambre doubles inserts) Fonctionnement 28 GHz à tester Consacrer du temps à la R&D ou abandonner... Nouveau système d’injection HF Nouvelle bride injection

Stratégie sources futures de SPIRAL2 Etape 1: évolution de PHOENIX V2 vers V3 Les sources de grand volume délivrent plus d’intensité Augmenter le volume de plasma de 0.6 à 1.3 litres pour un même champ radial Changement du noyau central (hexapôle et chambre à inserts en fer) Double fréquence HF (14 + 18 GHz), doublement de capacité du four V2 V3 V2 Financement par Cluster of Research Infrastructures for Synergies in Physics (CRISP) Premier faisceau attendu septembre 2013

Stratégie sources futures de SPIRAL2 Etape 2: vers une source entièrement supraconductrice ? Si le financement est trouvé !! (quelques millions d’€...) Minimiser les risques ! (REX MS-ECRIS, VENUS...) Br~2.4 T confinement radial hexapolaire Volume plasma 6-12 litres 3-0.7-4.4 T Miroir Axial Grand volume de plasma (6-12 l) Champ magnétique optimisé pour 28 GHz Collaboration possible en cours d’évaluation (LPSC - GANIL - IRFU - Institut Néel) ? Temps de développement  4 ans Dossier en maturation pour septembre 2013 ~1 m SPIRAL2 doit être le demandeur et le financeur...

Le Booster de charge ECR (1) Méthode inventée à l’ISN (projet PIAFE), en progrès constants PHOENIX Booster Temps de réponse Efficacité 1+ N+ Capture par le plasma ECR Multi-ionisation Décélération Faisceau N+ Faisceau 1+ Haute tension Optique Masse

Le Booster de charge ECR (2) Schéma de tension pour optimiser la capture IN+ (V) plots Image of the capture Volts Suppression du tube ralentisseur Simulation puis réalisation Aujourd’hui Capture des gaz : 80 % alcalins : 55 % 85Rb+  85Rb17+ 7.5% Charge breeding time 226 ms (about 13 ms per charge) Efficacités gaz :+ 20% (Ar11+11.4%) Efficacité alcalins : +80% (Rb15+ 6.5%) PHOENIX Booster acheté par ISAC-TRIUMF et CRLC Daresbury TRIUMF en fonctionnement, Daresbury au GANIL pour upgrade SPIRAL1 Problème des superpositions “d’impuretés” aux faisceaux radioactifs (pas étudiable au LPSC)

Le Booster de charge ECR (3) Futur immédiat 2012-2013 Fin des études détaillées de nucléarisation SPIRAL2 (beaucoup de mécanique) au SERM 2012-2015 contrat NuPNET “Enhanced Multi-Ionization of short-Lived Isotopes at EURISOL” 10 k€/an LPSC R&D charge breeders Prototypes de sources COMIC 2.45 et 5.8 GHz chaudes 600 °C puis 1200 °C, effets de température Fabrication et tests chambre à plasma calculée par l’INFN, Booster nouvelle structure magnétique à fort gradient Expériences communes sur le banc de test du LPSC 2013-... Scoop: SPES a obtenu le financement pour la partie booster de charge, ils souhaitent que nous le construisions. Nouveau projet à évaluer au sein du LPSC lorsqu’ils formuleront leur demande... Futur Nous envisageons d’arrêter cette thématique à moins qu’une installation la rentabilise (scientifiquement et financièrement) Ligne N+/ Analyse Booster Le projet a débuté dans l’équipe (responsabilité de l’étude détaillée) Transfert au Service de Mécanique (Resp. D Bondoux). Travail remarquable de la part du SERM. Quand la phase 2 verra le jour, possibilité de construction de cette ligne au sein du pôle. Niveau de détail très élevé

R&D amont sources hautes fréquences (60 GHz) Contexte R&D sur les faisceaux de plomb pulsés pour le LHC Collaboration avec l’Institute of Applied Physics (Nizhnyi Novgorod-Russia) sur les faisceaux pulsés Proposition de source ECR 60 GHz pulsée pour Beta-Beams (EURISOL puis Euro-nu) Développement d’un prototype ECR 60 GHz utilisant les techniques d’aimant à champ intense Suite à des simulations simples (Radia-Mathematica) ,choix de la technologie La source ECR Cahier des charges Zone ECR 60 GHz fermée au centre ne touchant pas les parois, n’interceptant pas de ligne de champ allant sur les parois Semble possible avec 4 hélices à refroidissement radial

Projet 60 GHz : démarche et détails Injection Extraction H1 H 2 H3 H4 z R Inj Ext Chambre Plasma hélices extraction H4 H2 injection H3 H1 Hélices et passages de courant Pièce de base: échangeur Proto Alu H1 2 sous ensembles Injection Extraction 6 MW Brides de fermeture Prototype assemblé 7 T injection (spec. 6T) 3.5 T ion extraction (spec. 3T) 4.9 T radial mirror (spec. 4T)

Le premier prototype 480 mm

La première expérience Installation site M5 Installation d’un circuit hydraulique parallèle (prélèvement d’environ 50l/s sur le débit total de 150 l/s) Connexion électrique en série avec M5 (« faible » consommation de puissance du prototype) Mesures champ magnétique Prototype axis Iso-B in the prototype at 15000 A Sonde de Hall Sondes de Hall Vérin La zone de résonance 1T est établie à 12300 A, test de connexion directe (sans M5) effectué : OK

Deuxième expérience: objectif premiers faisceaux Site M3 (salle dédiée mise à disposition par le LNCMI) Besoin d’une ligne de faisceau dans un labo de champs intenses... Analyse des risques (HT, HF, rayons X), Etude de génie civil (dalle), adaptation mécanique pour la connexion directe hydraulique sur l’installation et la connexion directe sur deux alimentations Montage des pièces de la source De-ionized water: 8 bars - 20 l/s Current Intensity : 15 kA

Deuxième expérience: Premier faisceau La “ligne de faisceau” Premier faisceau Gyrotron 28 GHz en panne Installation d’un klystron 18 GHz Constatations Amorçage du plasma à très basse puissance Présence d'ions multichargés (jusqu’à Ar7+) Possibilité de produire de fortes intensités ioniques (jusqu’au mA pour les basses charges dans un diamètre de 4mm) Ces premières données expérimentales encourageantes sont en cours d’analyse

Troixième expérience: Premier plasma à 60 GHz... Aspect collaboratifs Souhait de poursuivre la collaboration avec le LNCMI Demande de financement d’un Doctorant LPSC-LNCMI (IN2P3-INP) Fin d’un contrat ISTC avec l’Institute of Applied Physics (Nizhnyi Novgorod) Gyrotron 60 GHz-300 kW pulsé (5Hz) livré, en cours d’installation Financé par le CNRS-LPSC et l’Europe Souhait de poursuivre les collaborations Fin de Beta-Beams du fait de la nouvelle physique du neutrino Demande de champ faite auprès du European Magnetic Field Laboratory Les expériences seront programmées après le redémarrage du LNCMI en Mars 2013 Technique Nous avons testé le prototype à fort champ lundi, un court circuit s’établit entre deux spires à 21000 A, un démontage est prévu pour changer les isolants (et la technique initiale qui était trop fragile...) Le plasma a aussi fait quelques dégâts, ce qui n’est pas mauvais signe...

Porteurs de projets futuristes Co-porteur Equipex CePIT Centre de Plasma denses, de faisceaux d’Ions Intenses, d’ondes THz intenses Non retenu Porteur Equipex COLOSSECRIS Intenses discussions en cours pour la réactivation du projet par le LNCMI sans la source supraconductrice SPIRAL2 Câbles supras HTS MgB2 2 cryostats de 600 mètres Diamètre 163 mm entre LNCMI et LPSC / ESRF / ILL (4*15000 A) pour: la R&D sources futures à 60 GHz, les études expérimentales sur les aimants splittés avec des X ou des neutrons (ESRF, ILL) La source supraconductrice SPIRAL2

Merci pour votre attention