PIM Profile & Intensity Measurements pour les lignes basse energie F. Bouly - D. Bondoux (LPSC / IN2P3 / CNRS) Atelier Bilan NEEDS PF Systèmes et scénarios.

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1 PIM Profile & Intensity Measurements pour les lignes basse energie F. Bouly - D. Bondoux (LPSC / IN2P3 / CNRS) Atelier Bilan NEEDS PF Systèmes et scénarios Jeudi 7 janvier 2016 Paris

2 Contexte : Le Projet MYRRHA à Mol (Belgique) 07/01/2016 - Atelier Bilan NEEDS, Paris F. Bouly - Bilan projet PIM 2 Main features of the ADS demo 50-100 MW th power Highly-enriched MOX fuel Pb-Bi Eutectic coolant & target k eff around 0.95 in subcritical mode 600 MeV, 2.5 - 4 mA proton beam Multi-purpose hYbrid Research Reactor for High-tech Applications At Mol (Belgium)  Démonter le concept d’ADS (couplage d’un accélérateur + source de spallation + réacteur)  Démontrer la transmutation (assemblage expérimentaux)

3 07/01/2016 - Atelier Bilan NEEDS, Paris F. Bouly - Bilan projet PIM 3 Exigences pour l’accélérateur à protons de MYRRHA Proton energy600 MeV Peak beam current0.1 to 4.0 mA Repetition rate1 to 250 Hz Beam duty cycle10 -4 to 1 Beam power stability< ± 2% on a time scale of 100ms Beam footprint on reactor window Circular  85mm Beam footprint stability< ± 10% on a time scale of 1s # of allowed beam trips on reactor longer than 3 sec10 maximum per 3-month operation period # of allowed beam trips on reactor longer than 0.1 sec100 maximum per day # of allowed beam trips on reactor shorter than 0.1 secunlimited Faisceau de haute puissance (jusqu’à 2.4 MW) Fiabilité Extrême  Basé sur l’opération de PHENIX  Minimiser le stress thermique & la fatigue mécanique sur les éléments du réacteur  Assurer 80% de disponibilité – d’après les procédures de redémarrage (~20 h)

4 07/01/2016 - Atelier Bilan NEEDS, Paris F. Bouly - Bilan projet PIM 4 L’accélérateur supraconducteur Redondance en série Redondance parallèle Lignes directrices pour le design d’un accélérateur fiable :  Design robuste : optique robuste, simplicité, minimiser le stress thermique, marges …  Redondance (série si possible, ou parallèle) : pour compenser les pannes  Réparable (« on-line » si possible) : prévoir un schéma de maintenance efficace

5 07/01/2016 - Atelier Bilan NEEDS, Paris F. Bouly - Bilan projet PIM 5 Injecteur et Ligne Basse Energie (LBE) 30 keV Injecteur et LBE :  Assurer le transport (et sa pré-accélération) avec un minimum de pertes  Conditionner le faisceau (taille et divergence à l’entrée du RFQ, mise en paquets)  « Nettoyer » le faisceau de proton des autres espèces (H 2 +,H 3 + )  Créer la structure temporelle : ‘trous’ (freq. Répétition: 250 Hz, cycle utile : 95% ) ou faisceau pseudo-pulsé 1.6 MeV 6 MeV 17 MeV

6 07/01/2016 - Atelier Bilan NEEDS, Paris F. Bouly - Bilan projet PIM 6 La LBE installée au LPSC Grenoble Source ECR Coupelle de Faraday: Basé sur SPIRAL2 Hacheur Système de collimation et Emittancemètre (« Allison scanner »)

7 07/01/2016 - Atelier Bilan NEEDS, Paris F. Bouly - Bilan projet PIM 7 Mesures d’émittances : exemple Séparation des espèces après le premier solenoide I faisceau ≈ 10 mA I solenoid = 93 A (B 0 ≈ 232.5 mT) Pression = 4.1 10 -6 mbar

8 07/01/2016 - Atelier Bilan NEEDS, Paris F. Bouly - Bilan projet PIM 8 Objectifs et besoins de mesures du profil faisceau Design préliminaire (calcul de dynamique faisceau) effectué lors du projet Européen FP7 MAX (“MYRRHA Accelerator eXperiment R&D”) – terminé en 2014. → Fiabilité : ligne compacte avec un minimum d’éléments électrostatiques Initier la construction de l’accélérateur en développant la LBE  région cruciale de l’accélérateur car on façonne le faisceau pour la suite de son accélération  Etudier le phénomène de compensation de charge d’espace (CEE) Construction financée par le SCK-CEN et finalisé dans le projet H2020: MYRTE (2015 - 2019) Design mécanique et construction effectuée par le LPSC en collaboration avec le SCK-CEN. Fin des test au LPSC jusqu’à mi-2016. Objectifs: _ Mise en œuvre de la ligne complète _ Déterminer le(s) meilleur(s) point(s) de fonctionnement: transmission, paramètres de Twiss à l’injection du RFQ, degré de CCE, effet transitoires, effet de dérive… _ Contrôle « en ligne » (asservissement) du faisceau sans perturber l’accélérateur → Besoin de diagnostics non-destructifs (profileur faisceau)

9 07/01/2016 - Atelier Bilan NEEDS, Paris F. Bouly - Bilan projet PIM 9 « Wire scanner » : concept ● Développer un wire-scanner pour les lignes basse énergie avec un faisceau continu (DC). ● Concept / idée de départ: une fourche avec trois fils passe dans le faisceau. Le mouvement linéaire est assuré par un translateur actionné par un moteur. On mesure le courant déposé dans chaque fils en fonction de leur positon dans le tube faisceau. ● Points critiques: _ puissance déposée dans le fil _ vitesse de translation _ contrôle et acquisition du courant ● Test sur la LBE de MYRRHA et/ou GENEPI2

10 07/01/2016 - Atelier Bilan NEEDS, Paris F. Bouly - Bilan projet PIM 10 Estimation de la puissance déposée dans le fil ● Calcul thermique avec un modèle simplifié. ● Calcul avec un fil de carbone : d = 70 µm, Ref. : C.J. Liaw, BNL, SNS Wire Scanner Preliminary Design Review Ref. : F. Launay, Comportement d’un fil de wire scanner de la ligne diagnostics d’IPHI

11 07/01/2016 - Atelier Bilan NEEDS, Paris F. Bouly - Bilan projet PIM 11 Puissance dépos ● Température au centre du fil pour différentes tailles faisceau (cas extrême, I=20 mA). On suppose un faisceau rond gaussien et une vitesse de translation de 0.1 m/s ~ T fusion du Carbone Effet thermoélectronique

12 07/01/2016 - Atelier Bilan NEEDS, Paris F. Bouly - Bilan projet PIM 12 Le cas de MYRRHA ● Utilisation dans des conditions moins extrêmes: cas nominal LEBT-MYRRHA I = 4 mA H + + 1 mA H 2 + 30 keV σ x,y ~ 7 mm 5 mA H + 5 mA H 2 + et H 3 + → Vitesse minimale requise pour la translation du fil: 0,1 m/s

13 07/01/2016 - Atelier Bilan NEEDS, Paris F. Bouly - Bilan projet PIM 13 Translateur et actionneur ● Translateur reçu et mis en œuvre (NEEDS 2014)  Développent spécifique du constructeur (Pfeiffer) – adaptation du pas du système vis/ecrou et tenue du soufflet  V max = 0,5 m/s – course = 200 mm ● Dimensionnement moteur: Pour v=0,5 m/s et a = 2,78 m/s² (t acc/dec = 0.18s ) C max = 0,57 N.m, Ω=6000 tr/min, P max = 360 W ● Moteur Mitsubishi HG-JR1034B  Système de freinage (C frein = 6 N.m)  C max = 1.56 N.m (à 6000 tr/min)  P max = 1000W

14 07/01/2016 - Atelier Bilan NEEDS, Paris F. Bouly - Bilan projet PIM 14 Design mécanique ● Design mécanique et implantation terminé - difficulté: fixation des fils et passage des câbles ● Eléments en fabrication (au LPSC) ou commandés

15 07/01/2016 - Atelier Bilan NEEDS, Paris F. Bouly - Bilan projet PIM 15 Contrôle et acquisition du wire-scanner ● Schéma de principe servomoteur contrôleur Pré-Amp. Châssis et contrôleur PXI + carte acquisition (type NI PXIe-6361) interface programme de control (Labview - EPICS) Fin de course Ext. ● Châssis PXIe reçu fin 2015 et carte d’acquisition NI PXIe-4464 ● Une carte pour l’interface contrôleur du moteur/PXIe doit encore être commandée

16 07/01/2016 - Atelier Bilan NEEDS, Paris F. Bouly - Bilan projet PIM 16 Imagerie faisceau ● un autre instrument pour mesurer le profil: imagerie par fluorescence ● Moins précis que le wire scanner, mais plus simple et plus fiable et non intrusif Exemple avec une simple caméra de video surveillance ● Caméra CCD Allied Vision commandée

17 07/01/2016 - Atelier Bilan NEEDS, Paris F. Bouly - Bilan projet PIM 17 Bilan ElémentFinancementStatut Translateur7090 € (NEEDS 2014) Reçu + validé Servomoteur + contrôleur3350 € (NEEDS 2015) Reçu + validé Fils (C et W)475 € (NEEDS 2014) Reçu + validé Pièces mécaniques (Brides+ manchettes adaptation,…) 1800 € (NEEDS 2014+2015) Reçu + validé commandé Connectiques/elec.960 € (NEEDS 2014+2015) Reçu + validé Châssis PXI + materiel associé5170 € (NEEDS 2015) Reçu + à valider Carte NI PXIe 44643745 € (NEEDS 2015) Reçu + à valider Fonctionnement/mission/réunion1200 € (NEEDS 2015) --- Caméra IP130 € (NEEDS 2015) Reçu + validé Caméra CCD + objectif1900 € (NEEDS 2015) Commandé Carte interface moteur/PXI~ 2000 € (?) Choix en cours chez NI à commander

18 07/01/2016 - Atelier Bilan NEEDS, Paris F. Bouly - Bilan projet PIM 18 Perspectives ● L’essentiel du matériel a été approvisionné grâce à NEEDS pour construire un « wire- scanner » prototype modulable et transportable ● Prochaine étapes : développement du système de contrôle/commande: _ Synchroniser mouvement et acquisition _ mesure de courant: gestion du bruit, temps de réponse ● Une grande partie de l’année a été consacrée à l’installation de la ligne et la physique du faisceau ● Le développement d’un tel instruments est demandeur en terme de RH: → Besoin d’un Ingénieur (apprentissage)/stagiaires ● Poursuite via NEEDS : regroupement avec les équipes de l’IPNO et CEA (EMIT-4D) pour un programme de plus grande envergure sur les diagnostics faisceau afin d’être compétitif au niveau mondial Pour le WS: Utilisation à plus haute énergie? Mesure de longueur de Bunch?

19 26 october 2015 LEBT Status & first beam tests - MYRTE Task 2.8 Meeting 19 Mesures d’emittances : effet de la pression de gaz résiduel Gaz injecté : Argon I source ≈ 10.3 mA I solenoid = 85 A (B 0 ≈ 212.5 mT) V puller = 22.5 kV Pression = 4.4 10 -6 mbar Pression = 3.0 10 -5 mbar file: emit_2015_03_27_16-03.dat file: emit_2015_03_27_16-12.dat Emit [rms] = 0.3501 Pi.mm.mrad [ Norm. ] Emit [31.19%] = 0.3501 Pi.mm.mrad [ Norm. ] Beta = 0.3309 mm/Pi.mrad Alpha = 3.4739 Emit [rms] = 0.2262 Pi.mm.mrad [ Norm. ] Emit [31.32%] = 0.2262 Pi.mm.mrad [ Norm. ] Beta = 0.3174 mm/Pi.mrad Alpha = 3.8491