Développement des sources ECR D+ et H- à Saclay

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1 Développement des sources ECR D+ et H- à Saclay
R. Gobin, P-Y. Beauvais, K. Benmeziane, G. Charruau, O. Delferrière, D. De Menezes, A. France, R. Ferdinand, Y. Gauthier, F. Harrault, Commissariat à l'Energie Atomique, CEA-Saclay, DSM/DAPNIA, Gif sur Yvette Cedex, France P. Leherissier, J-Y. Paquet, GANIL, Bd Henri Becquerel, Caen Cedex 5. France J. Sherman Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, N.M , USA Source de DEUTONS Banc test H-

2 Introduction 3 sources différentes, basées sur le même principe
A Saclay, développement des sources pour 3 programmes : Les faisceaux intenses de H+ pour les ADS SILHI produit régulièrement des H+ > 100 mA 2) Faisceaux de Deutons pour RIB et Irradiation Tool Nouvelle source en construction 3) Des ions H- pour Spallation sources or Neutrino production Source en développement 3 sources différentes, basées sur le même principe Le Plasma est généré par résonance ECR 2.45 GHz

3 DEUTONS En 2001, SILHI a produit des Deutons (mode pulsé) (130mA – 100 keV – D+ 96 %) [pour le programme IFMIF] Proposition pour SPIRAL2: source ECR de type SILHI, fonctionnant à 2.45 GHz avec des aimants permanents

4 Modifications envisagées
SOURCE DEUTONS Condition requises:  Particules: D+ and H2+ (pour le conditioning),  Energie: 40 keV  Intensité: 0.15 ou 5 mA (réglable en continu de 0 à I max pour le conditioning)  Fonctionnement CW  Emittance < 0.2  mm.mrad  Forte proportion de D+  Bonne stabilité et disponibilité  Longue durée de vie (> 3 mois) Options gardées efficaces sur SILHI:  Disques de BN  Fenêtre protégée  EI réglable  Suppresseur d’électrons  Remplacer les bobines par PM  Supprimer le blindage magnétique  Construire un système d’extraction  40 kV  pas de plateforme  Injection RF via DC break } LEDA Modifications envisagées

5 Simulations magnétiques avec OPERA 2D de VF
SOURCE DEUTONS Simulations magnétiques avec OPERA 2D de VF Pour garder un réglage, 3 couronnes d’aimants permanents séparées par un gap ajustable

6 SOURCE DEUTONS Système d’extraction avec les codes Axcel and OPERA-2D
Forte densité de plasma pour D+ élevés Minimiser le champ électrique Minimiser l’émittance et la divergence 2 modes de fonctionnement (0.15 et 5 mA) Pas de compensation (faible pression) Max 61 kV/cm -2 kV 0 to 8 kV 18 kV 40 kV 5 mA Axcel simulation Les 2 modes de fonctionnement et la variation continue de l’un à l’autre imposent un système flexible équipé de 2 électrodes intermédiaires

7 SOURCE DEUTONS RF Injection (2.45 GHz) via ridged transition et WR 284
Plasma Chamber l=100mm and =90 mm with 2 BN discs 5 Electrode Extraction System Extraction Aperture =2.5 mm PM, 3 Rings (r=76 and 115 mm)

8 SOURCE DEUTONS Le point aujourd’hui
2003 - Calculs extraction et configuration magnétique Terminés - Design de la source (aimants, chambre, tube accél.) Terminé - Fabrication en cours Sept. à Nov. Début assemblage Nov. déc. Et la suite, - Quelques mesures deutons avec SILHI mi-Octobre 2004 - Premiers Tests Janv. et Février - Installation sur la LBE SILHI Mars - Caractérisation du faisceau Avr. à Septembre - Rapport final avec plans Octobre

9 Experimental set up and plasma zoom
H- test stand Tout a commencé avec Concert puis ESS, le CERN et … Les besoins: qq 10 mA; 50 à 100 keV; mode pulsé; longue durée de vie Proposition: Développer une source ECR (2.45 GHz) dont la base repose sur du matériel de rechange de SILHI. Ce travail s’inscrit dans un réseau Européen (9 labos) dont le but est l’optimisation de sources existantes et le développement de nouvelles techniques Supporté par la Communauté Européenne (contrat HPRI CT ) Coordonnateur CEA/Saclay Experimental set up and plasma zoom

10 Experimental set up and plasma zoom
H- test stand Pourquoi une source ECR pour produire des ions H- ? Ce type de source a déjà démontré son efficacité (LEDA, SILHI, TRIPS et autres) pour produire des plasmas de forte densité. Ni filament ni antenne  longue durée de vie Facilité de réglage (seulement quelques paramètres) Fonctionnement pulsé Chambre plasma rectang. Extraction 5 mm 2.45 GHz Fenêtre protégée ECR zone à l’entrée RF Diagnostics plasma Options Après 1 an, résultat: rien !!! Experimental set up and plasma zoom

11 La déviation des électrons par le MF fausse les mesures
H- test stand Début 2002 Observation des premiers ions H- confirmée avec un plasma d’helium et l’analyse des charges positives e- H- ? La déviation des électrons par le MF fausse les mesures Sans MF, rapport e-/H- ~ 8000 I e- = 40 mA; I H- = 5 µA

12 Experimental set up and plasma zoom
H- test stand Spectroscopie du plasma (: 715.3, 674, 631.5, 627 nm) indique la présence de molécules d’H2 excitées capables de produire des ions H- (attachement dissociatif) H2 (v) + 1e-(low)  H- + H Conclusion: les ions produits sont détruits… Causes possibles - Pollution - Electrons de haute énergie - µ onde ou … Simulations RF (avec MAFIA) montre qu’une grille (maille de 5 mm) réfléchit l’onde non absorbée Experimental set up and plasma zoom Experimental set up and plasma zoom

13 Grille à 85 mm, Gain d’un facteur 2 (10 µA)
H- test stand Installation d’une grille en inox dans la chambre plasma rectangulaire Toujours sans MF En changeant la position de la grille (avec reprise des réglages, pression, puissance RF et champ magnétique I H- = 84 µA à 30mm Grille à 85 mm, Gain d’un facteur 2 (10 µA)

14 I H-  850 µA H- test stand La grille est fixée sur l’électrode plasma
L’ensemble grille et el. pl. est polarisable I H-  850 µA En fonction de P HF Pression optimum: 3.5 à Torr dans la chambre plasma

15 Pour prouver la production d’ions H-
H- test stand Pour prouver la production d’ions H- Pas de courrant sur CF avec un plasma d’Hélium nouvelle analyse avec dipôle et comparaison H+ - H- Le fort taux de H3+ provient de la réaction H2 + H2+  H3+ + H eV (caractéristique des plasmas froids favorables à la production d’ions H-) e- H- ? H2O H3+ H2+ H+ H- e- OH- ? H2O H3+ H2+ H+ H- e- OH- ?

16 environ 1 mA / kW avec extraction de 5 mm
H- test stand “Bonne” efficacité: environ 1 mA / kW avec extraction de 5 mm La source fonctionne en mode pulsé (1ms/10Hz), 24H/24, Pas de dégradation de la grille après plusieurs semaines Que de travail encore ! ! ! - Accroître la puissance RF (6 kW) Mélange de gaz, matériaux de la chambre Filtre Magnétique - Volume et forme de la chambre plasma Nouveau système d’extraction avec séparateur d’électrons Développement de code (en cours) Et le césium ! Conclusion: Il faut persévérer …