Les activités de Recherche et Développement sur les sources d ions au LPSC

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1 Les activités de Recherche et Développement sur les sources d ions au LPSC 1. Introduction aux Source d ions ECR 2. Booster de Charge 3. LBE Spiral2 et source d ions lourds Q/A=1/3 4. R&D 60 GHz 5. Projet COLOSSECRIS 6. Sources COMIC

2 1. Source d ions ECR - introduction Résonance Cyclotronique Electronique r Electrons chauffés quand HF = ce = Ionisation par impact électronique Confinement magnétique ( ~ ms) Ions froids => émittance thermique négligeable Vide de 10-4 à 10-8 mbar qb ECR m Gamme de fréquence de 2,45 GHz (~12 cm) à 28 GHz (~1 cm) Coupe iso- B z I~n e, n e ~ 2 HF, et B MAX ~ HF Monochargés : B MAX ~B ECR / Multichargés: B MAX ~2-4B ECR Microondes Gaz ou Vapeurs métalliques Extraction du faisceau d ions 2

3 3 2. Booster de Charge - PHOENIX Principe de la méthode 1+ N+ (inventée à Grenoble) application à la post accélération des faisceaux d ion radioactifs Rendement 1+ N+ η q ( q + ) I = q I ( 1 + ) Capture par le plasma ECR Multi-ionisation Décélération Faisceau N+ Faisceau 1+ Haute tension Optique Masse

4 2. Projets autour du Booster de Charge Collaboration scientifique avec SPES-INFN/LNL Conception et construction booster SPES au LPSC Puis tests commun Construction du booster Spiral2 nucléarisé réduction temps maintenance amélioration fiabilité ANR, NupNET étude purification faisceau N+ Injection sub-module Source sub-module Extraction sub-module booster au LPSC Etude conceptuelle booster nucléarisé pour Spiral2 4

5 2. Booster de Charge développement récent Suppression du tube ralentisseur Maintenance simplifiée Meilleur couplage HF Moins de HF (-40%) Meilleur rendement 1+N+ + 20% Ar 11+ (11.4%) +80% Rb 15+ ( 6.5%) Réglage optique pointu Conforme à la simulation AVANT Double Einzel Ancien Tube ralentisseur Chambre plasma New Configuration APRES Electrode masse Nouveau stopeur HF 5

6 2. Booster de Charge développement récent Nouvelle méthode de production d ions réfractaire par pulvérisation Injection d un faisceau pulsé d Ar 1+ ( µa / kev) à travers le booster Pulvérisation d une cible placée contre l électrode plasma Capture des atomes pulvérisés par le plasma 1 µa de Ta20+ pour 136 µa d Ar+ incident Evolution de i(ta 20+ ) avec l énergie des Ar 1+ Evolution de i(ta 20+ ) avec l énergie des Ar 1+ Rendement modeste pour le moment, à explorer di Ta 20+ (na) Cible 0 Ar 1+ energy (kev) 10 1 µ A 20+ Spectre Ta n+ di Ta 20+ (na) Chambre à plasma di (t) Ta intensité 1+ (µa) 160 6

7 3. LBE Spiral2 1 er tronçon de l accélérateur construit et testé de Spiral2 ( ) A permis (et permet) de nombreuses validations expérimentales avant l installation au GANIL (mi-2012) tests vide, CC, détecteurs, Dynamique faisceau, automatismes, faisceaux métalliques Logo IPNO 7

8 8 3. Source Q/A=1/3 Spiral2 PHOENIX V2 V2= Adaptation de la source PHOENIX pour tenir 60 kv et optimiser la production des ions Q/A=1/3 pour Spiral2 Source compacte (0.6 l de plasma) à 18 GHz par défaut, source de démarrage de Spiral2 2010: 1 ma O 6+ / 135 µa Ar : 1.3 ma O 6+ / mesures Ar 12+ à venir (+30% espéré) 1er Faisceau à 60 kv : 31 Août 2011 (nominal Spiral2) Validation nouvelle extraction Cœur à 60 kv T B z Miroir Axial 0 kv 30 kv Hexapole 2 couches B r ~1.35 T paroi

9 3. Source Q/A=1/3 Spiral2 R&D A-PHOENIX A hybrid Source : with a large permanent magnet hexapole 2 HTS He free coils (Ø 120 mm) 2 small hexapoles under HTS coils 1 room temperature Coil Plasma volume ~1.2 l Fonctionnement GHz Axial magnetic field B inj 3 T, B ext 3 T Radial magnetic field Special Plasma chamber B r =2.1 T (special chamber) B r =1.55 T (permanent magnets) with 6 double iron inserts 9

10 10 3. Source Q/A=1/3 Spiral2 R&D A-PHOENIX Des 1 er résultats médiocres à 18 GHz Tests : 350 µa O 6+ seulement (attendu: 1.5 ma) Etat de charge plasma faible Mauvais couplage HF suspecté Conception nouvelle injection HF en 2009 Longueur cavité variable (δz~80 mm) Amélioration nette de l état de charge 2010: +30% en O 6+ (460 µa) Nouveau système d injection HF résultat toujours médiocres Les ions multichargés ne sont extraits que dans un champ axial très faible? Forte suspicion sur la structure magnétique, qui est non conventionnelle Test 18 GHz avec chambre spéciale n 1 (boost radial +0.2 T) 2011: +20% en O 6+ (560 µa) semble confirmer l origine magnétique du problème: Effet, non connu dans la communauté, d une non constance du champ radial le long du miroir axial Tests à venir à 28 GHz (fin ) La source a été conçue pour cette fréquence => espoir de voir les performances décoller Dernière cartouche! Nouvelle bride injection

11 11 3. Source Q/A=1/3 Spiral2 R&D A-PHOENIX Historiquement: A-PHOENIX dessinée autour de 2 solénoides HTS de faible diamètre interne, diamètre imposé par le budget propre disponible en (2005) 2 Solénoides HTS 120 3T 1 solénoide chaud T Grand Hexapole T Petit Hexapole T Volume plasma 1 à 1,2 l La conception HTS idéale (non réalisée faute de budget 2005) 2 Solénoides HTS 190 3T 1 solénoide chaud T Grand Hexapole T Petit Hexapole T Volume plasma 2,5 l

12 12 3. Q/A=1/3 Spiral2 Projet Source Supra OBJECTIF: Remplir pleinement le cahier des charges de Spiral2 Fournir quotidiennement au moins 800 µa d Ar 12+ et des hautes intensités d ions métalliques Structure magnétique totalement supraconductrice Grand volume de plasma (6-12 l) Champ magnétique optimisé pour la fréquence de 28 GHz Coût: 1.5 M (gestion labos, sous-traitance aimants), 4 M si totalement sous traitée. Volume Durée projet : ~3-4 ans plasma Financement partiel CRISP (ESFRI) 6-12 litres En attente de complément de financement Les challenges Hexapole+Solénoïdes => fortes contraintes mécaniques et magnétiques sur NbTi Fort rayonnement X (~10W vers masse froide) T Miroir Axial Logo CRISP B r ~2.4 T confinement radial hexapolaire ~1 m

13 13 4. R&D Source d ions à 60 GHz Euro-nu: Comparaison de 3 concepts pour produire des faisceaux de neutrinos Beta Beams (exemple de schéma de production) protons driver Cible W/BeO Production continue 6 He (t 1/2 = 807 ms) pps Efficient ECR ion source with bunching capabilities If ionization efficiency = 100 % I(He 2+ ) = 16 ma + all other species I extracted >100 ma Pulsed beam Ion current intensity Preglow Pulsed microwave Afterglow Time m 10 Hz 50 µs Découvert au LPSC! Scheme based on CERN accelerators 6 He 6 Li + e - + e- e- e- Decay ring Source d ions ECR pulsée Haute intensité, grande efficacité d ionisation fonctionnement à 10 Hz Radio résistante, faible coût faible volume, plasma dense haute fréquence ECR (60 GHz) utilisation du mode PREGLOW

14 4. R&D source d ions ECR à 60 GHz Conception du 1 er Prototype à 60 GHz appliqué aux beta-beams Technologie des champs intenses naturellement radio-résistante: les polyhélices du LNCMI Source ultra compacte (60 cl) Minimum-B à symétrie de révolution (CUSP) Zone ECR fermée à 2.14 T (résonance à 60 GHz) et fort confinement magnétique ECR Injection Extraction A 14

15 15 Construction de SEISM 4. R&D source ECR à 60 GHz 2 sub-assemblies Équipe montage LPSC Tests à mi-champ magnétique (15000 A) validé => zone 28 GHz fermée Champ magnétique axial 4 B (T) mm mm 51 mm LNCMI A 0 z (mm) : Faisceau d ions à 28 GHz : Faisceaux d ions à 60 GHz (réception gyrotron printemps 2012)

16 5. Projet COLOSSECRIS (Equipex 2011 ) (COnnecting LOcal Superpower Systems for Electron Cyclotron Resonance Ion Sources) Porteur de projet: T. Lamy Objectifs et géométrie du projet ( ) Une source d ions lourds supraconductrice pour SPIRAL2 Un Bus supraconducteur entre le LNCMI et le LPSC ( A / 400 V sur 600 m) Une plateforme de R&D Sur les champs magnétiques intenses Pour les sources ECR très haut fréquence Pour les futurs aimants splittés à l ILL et l ESRF (40 T) et la science des conditions extrêmes Pour les faisceaux intenses d ions Ligne haute intensité Gyrotron 60 GHz 300 kw, pulsé à 5 Hz (de 50 µs à 1 ms) livraison printemps 2012 Gyrotron 60 GHz (0-15 kw) continu Phase investissement 36 mois 10.7 M Phase fonctionnement 66 mois 1.3 M 16

17 6. Source d ions COMIC Source d ions ECR ultra-compacte à 2,45 GHz Très basse puissance (0-10 W 2,45 GHz) Pas de ligne d adaptation HF: plasma = charge à 50 Ohms Peu chère, possibilité de mise en réseau B z Area of maximum power coupling B ECR Extraction plane Antenna Couplers Forward diffusion inside the magnetic field z ~ λ/ 4 ~ 3 cm at 2.45 GHz 17

18 6. Source d ions COMIC Application aux dépôts de couches minces par pulvérisation La machine MBS-20 (Multi Beam Sputtering) équivalent machine Ion Beam Sputtering 20 sources tirent sur une cible centrale enceinte NW400 dépôts: 100, 200, 300 mm Test cible Thorium sur mylar Pendant Avant Emplacement substrat 4 faisceaux Ar Total : 223 µa Après Cible Th 1 test : 200 mm Cu sur verre 18

19 19 6. Sources d ions COMIC Adaptation à une colonne FIB (Focused Ion beam) Licence Orsay Physics Source COMIC LPSC Extractor electrode Source Lens DPA Condensor lens valve Aperture MVA Wien Filter Mass aperture MVA Blanking FC Scanning octopoles 50 µm Objective lens DPA Sample

20 20 20 Merci pour votre attention!

21 21 5. Equipex 2011 : COlossECRIS Tube 60 GHz Gyrotron in the cryomagnet