SOMMAIRE

T. Thuillier, LPSC, Journées Accélérateurs, Roscoff, 14 Octobre 2013

ROSCOFF 2013

LES SOURCES D'IONS ECR SUPRACONDUCTRICES DE 3ÈME GÉNÉRATION: TECHNOLOGIE, PERFORMANCES ET LIMITATIONS

2T. Thuillier, LPSC, Journées Accélérateurs, Roscoff, 14 Octobre 2013

SOMMAIRE

• INTRODUCTION AUX SOURCES ECR• LES SOURCES DE 1ère, 2ème ET 3ème GENERATION• TECHNOLOGIE DES SOURCES DE 3ème GENERATION

• PERFORMANCES• LIMITATIONS

• PERSPECTIVE FRANCAISE


Les ingrédients d’une source ECR d’ions multichargés

Faisceau d’ions Extrait

videChamp électrique

Puissance RF

Atomes

Une cavité métalliquecylindrique

(multimode en RF)

Un vide secondaire 10-5-10-8 mbar(minimiser l’échange de charge)

Une bouteille magnétique (minimum-B) pour confiner

les particules chargées par effet miroir magnétique

Une injection d’atomes (gaz ou vapeurs

métalliques)

Une injection de puissance microonde

1-10 kW

Une surface fermée où

Condition de RESONANCE ECR

Génération d’un plasmaStable d’électrons chauds et d’ions

multichargés froids

Un champ électrique accélérateur pour extraire le

faisceau d’ions

Lignes de champ

Iso-B

INTRODUCTION AUX SOURCES ECR


Confinement magnétique d’une source ECR• Le champ magnétique est la superposition d’un miroir

magnétique axial et d’un champ radial hexapolaire• La surface ECR (|B|=BECR) est fermée

Iignes Iso-B

z

BzAxial Mirror

BECR

mqB=ω=ω ECRce

BECR

Source LBNL

Champ hexapolaire

Source RIKEN, Nakagawa

|B|(x,z)

z 2rSource D. Xie

INTRODUCTION AUX SOURCES ECR

5

La première Source d’ion ECR: SUPERMAFIOS 1975• Inventée au CEA Grenoble par l’équipe de R. Geller

Bernard Jacquot

Supermafios

• une machine de fusion de 3 MW modifiée pour produire des faisceaux d’ions (CIRCE)

• La légende dit qu’à l’allumage de la machine, la moitié de la ville de Grenoble a été plongée dans le noir

R. Geller

SOURCE DE 1ERE GENERATION



SUPERMAFIOS: source de 1ère génération

• 2 étages de plasma• étage 1: 16 GHz axi-symétrique ions 1+

• Étage 2: minimum-B à 8 GHz ions multichargés

• Faisceaux typique de la 1ère génération:• ~100 µA Ar8+

• ~100 µA O6+

• Une dizaine de sources ont été développées dans le monde• LBL-ECR encore en opération au LBNL (CA,

USA)

SOURCE DE 1ERE GENERATION


Source de 2ème génération: exemple d’ECR4 au GANIL(1989)• Des dizaines en opération dans le monde• 1er étage plasma supprimé• Hexapole aimant permanent• Injection RF coaxiale

• Piston d’accord

• fECR=14.5 GHz• Faisceau typique:

• ~650 µA Ar8+

• ~800 µA O6+

• Volume chambre: V~0.5 l• Ø64 mmL200 mm

• Champ magnétique à la paroi ~1 T 400 mm

1.04 T0.8 T

0.35 T

BECR~0.5 T

Axial Magnetic field lines (ECR4M)FeNdB hexapole

SOURCE DE 2EME GENERATION


Source de 3ème génération (3G) fECR=24 - 28 GHz• 4 en opération: , 4 en projet: 𝑰 𝒏𝒆 𝒇 ❑

𝟐𝑬𝑪𝑹



Les sources 3G existantes

SECRAL, Lanzhou, Chine VENUS, LBL, USA

SUSI, MSU, USA RIKEN SC ECRIS,Japon



Source 3G: exemple de VENUS (LBNL)• Démarrage projet 1998 -> 1er plasma 2002• Aimant supraconducteur: hexapole et solénoïdes• Champ magnétique à la paroi ~2T• Volume Chambre V~8 l

• Ø140 mm x 500 mm

• fECR=18+28 GHz

• Cryogénie LHe + LN

4T

0.4T

3T

Profil axial

500 mm

Profil magnétique radial le long de l’axe de la source à R=7 cm

2.2 T à Ø=140 mm

SOURCE DE 3EME GENERATION: TECHNOLOGIE


VENUS: cryostat et masse froide

Cryocooler

FlangeLN Reservoir (70 K)

LHe (upper cryostat) Reservoir (4.2 K)

50 K Shield

Cold Mass

with Coils EnclosedIron Yoke

Vacuum Vessel

Warm BorePlasma Chamber

HTC Leads8leads

Tourelle de service

Cryostat

Vacuum Feed throughs

Power Feed through (1 out of 8)

Links

(4)

77K LN pour thermaliser les 8 amenéesDe courant (70 W)

Circuit Fermé: He recyclé par recondensation des vapeurs vers le réservoir de LHe

Ecran thermique à 50 K alimenté par le 1et étage Des cryocoolers

SOURCE DE 3EME GENERATION: TECHNOLOGIE


0

200

400

600

800

2 3 4 5 6 7 8 9A

naly

zed

Cur

rent

[eµA

]

Mass to Charge

O3+

O4+

10

O5+

O6+

15

9

8

7

1112

13

14

16

O2+

6

Argon

Performance des sources ECR en Argon

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 180.02

0.2

2

20

200

2000

SuSI_18GHzSECRAL_18GHzVENUS_28GHzSECRAL_24GHzGTS_18GHz

Charge State

Ion

beam

inte

nsity

(eµA

)

meilleure G2 aimants chauds à 18 GHz (GTS)

Source: G.Machicoane, MSU/NSCL,ICIS’11,modified

Sources supra De large volume

ECRIS - G3

G1 ECRIS!

SOURCE DE 3EME GENERATION: PERFORMANCES


Performance en uranium (test VENUS LBNL+MSU)•Spectre impressionant!

•Four 2000°C avec un creuset en Rhenium• Consommation U ~9 mg/h

• 2 kW 18 GHz+6.5 kW 28 GHz• VENUS réglée à fond

• transmission LEBT limitée à 22 kV• drain HV 9 mA, CF tot~5mA

• Pas de limitation du côté source, qui répond à la HF et à la température four

5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 90

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Chart TitleU33+

U34+

U35+

O3+ O2+

M/Q

Cur

rent

(emA

)

•Emittance compatible avec les spécif. de FRIB

H V

Valide l’operation de FRIB avec 220 µA U33+ + 220 µA U34+



Résumé des perfomances de VENUS (référence)High Intensity or High Charge State Beams

Beam Current Method4He1+ 20000eµA gas4He2+ 11000eµA gas16O6+ 3000eµA gas16O7+ 925eµA gas40Ar12+ 860eµA gas40Ar16+ 133eµA gas40Ca11+ 400eµA LoT Oven124Xe26+ 432eµA gas124Xe30+ 211eµA gas124Xe42+ 1eµA gas138U33+ 450eµA HiT Oven138U50+ 13eµA HiT Oven209Bi31+ 300eµA HiT Oven209Bi50+ 5.3eµA HiT Oven



Effet de fréquence ou effet de volume?• Loi d’échelle (Geller 1988): Plus on augmente la fréquence, plus le

courant d’ions extrait augmente• Densité plasma • Courant d’ions

SOURCE DE 3EME GENERATION: DISCUSSION


Perforation chambre à plasma• Phénomène observé dans tous les laboratoires

• A forte puissance • P>2-7 kW selon dimension chambre à plasma, et pression de

fonctionnement

• Les électrons chauds fuient prioritairement là où le champ magnétique est minimum• A la paroi en général

• Densité de puissance locale >1~5 MW/m2

• L’eau se vaporise localement dans le circuit de refroidissement (malgré 15 bars/ 8-15 l/min)• La température de paroi monte au dessus de 100°C

• Sur VENUS Température aluminium> 280°C => recristallisation observée

• Formation progressive d’un cratère puis d’un canal poreux => fuite d’eau

• On se rapproche doucement des soucis des Tokamaks…

Trou dans la chambre à plasmas de VENUS

Recristalisation Alu chambre interne VENUS

SOURCE DE 3EME GENERATION: LIMITATIONS


« Cuisson » de l’isolant haute tension• Les électrons chauds génèrent un énorme flux de RX radial

• Cuisson lente de L’isolant HT

• Ambiance autour de la source: 0.1-100 mSv/h !!• La source est activement blindée• La source est en zone d’accès contrôlé• La couleur de la zone dépend de la puissance HF injectée…

Cold Mass

with Coils

Enclosed

Isolant HT (mylar) endommagéChambre à plasma VENUS VENUS



Atténuation des RX par une feuille en Ta• Les RX sont atténués par une feuille en Ta de 2mm d’ épaisseur enroulée autour de la chambre à plasma• Le flux de RX est diminué d’un facteur de 5 to 10• La puissance des RX arrêté est ~50%• Ca n’empêche pas l’isolant de continuer à cuire sur un temps plus long…

HV Insulator

2mm TantalumX-ray Shield

Water Cooling Grooves at the plasma Flutes

100

101

102

103

104

105

1

10

100

1000

104

105

-200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400

1.5mm Ta xray xray

Cou

nts

Energy [keV]

Integral 3.5 106

Integral 3.5 105

with shield

without shield

Chambre Plasma Aluminium



RX: Echauffement de la masse froide • Le blindage en Ta n’arrête pas les RX de haute énergie• Une majeure partie du flux de RX restant est efficacement stoppée dans l’épaisseur de la masse froide

(Fe, Cu,Nb,Ti,Al…)• Un échauffement non négligeable est observé, qui dépend de Bmin (épaisseur surface résonance ECR)• 1 W/kW à 28 GHz• 0.2 W/kW à 18 GHz

Secral Secral



Charge d’espace et émittance• Les intensités sortie source peuvent atteindre 10-20 mA

• Extraction et Transport de dizaines de faisceaux mélangés en régime de charge d’espace qui arrosent le tube faisceau

• Nécessité absolue d’une LEBT surdimensionnée (type Spiral2)

• La pression résiduelle doit être basse pour limiter l’échange de charge• 10-8 mbar

• Emittance : la composante magnétique augmente avec la fréquence ECR (fECR~BECR)

• champ magnétique à l’électrode plasma, rayon électrode (mm) , masse sur charge

• La plupart des « cartons » des sources supra sont INUTILISABLES avec leurs accélérateurs dimensionnés pour les sources G2



Perspective pour Spiral2• Nouvelle priorité à la physique des ions

stables sur Spiral2 • La collaboration S3 attend de très hautes

intensités de faisceaux d’ions multichargés (Q/A=1/3) pour être au meilleur niveau mondial en physique des ions lourds

• La source de démarrage, (PHOENIX-V2, une « G2 » performante), répond partiellement aux besoins

• Nécessité d’utiliser une source d’ions G3 supraconductrice pour produire les faisceaux attendus• Non financée à ce jour

• Projet de collaboration LPSC-IRFU-GANIL-IPNL en cours de discussion• pour développer la première source supra G3

en europe sur la période 2015-2020

PERPECTIVE FRANCAISE


MERCI POUR VOTRE ATTENTION !

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