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, 91191 Gif sur Yvette Cedex, France

P. Leherissier, J-Y. Paquet,GANIL, Bd Henri Becquerel, 14076 Caen Cedex 5. France

J. ShermanLos Alamos National Laboratory, Los Alamos, N.M. 87 545, USA

Source de DEUTONSBanc test H-

IntroductionA Saclay, développement des sources pour 3

programmes :1) Les faisceaux intenses de H+ pour les ADS

SILHI produit régulièrement des H+ > 100 mA2) Faisceaux de Deutons pour RIB et Irradiation Tool

Nouvelle source en construction3) Des ions H- pour Spallation sources or Neutrino

productionSource en développement3 sources différentes,

basées sur le même principe

Le Plasma est généré par résonance ECR 2.45 GHz

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

SOURCE DEUTONS

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 envisagéesOptions gardéesefficaces sur SILHI:

Disques de BN Fenêtre protégée EI réglable Suppresseur d’électrons

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)

SOURCE DEUTONS

Simulations magnétiques avec OPERA 2D de VF

Pour garder un réglage, 3 couronnes d’aimants permanents séparées par un gap ajustable

SOURCE DEUTONS

Système d’extractionavec les codes Axcel and

OPERA-2DForte densité de plasma pour D+ élevésMinimiser le champ électriqueMinimiser l’émittance et la divergence2 modes de fonctionnement (0.15 et 5 mA)Pas de compensation (faible pression)

Les 2 modes de fonctionnement et la variation continue de l’un à l’autre imposent un

système flexibleéquipé de 2 électrodes

intermédiaires

Max 61 kV/cm

-2 kV

0 to 8 kV18 kV

40 kV

5 mA Axcel simulation

Plasma Chamberl=100mm and =90

mmwith 2 BN discs

Extraction Aperture =2.5 mm

PM, 3 Rings (r=76 and 115

mm)

RF Injection (2.45 GHz) via ridged transition et

WR 284

SOURCE DEUTONS

5 Electrode Extraction

System

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

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

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

2001-50021)Coordonnateur CEA/Saclay

Proposition: Développer une source ECR (2.45 GHz) dont la base repose sur du matériel de rechange de SILHI.

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 pulséChambre plasma rectang.Extraction 5 mm2.45 GHzFenêtre protégéeECR zone à l’entrée RFDiagnostics plasma

Options

Après 1 an, résultat: rien !!!

H- test stand

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 mesuresSans MF, rapport e-/H- ~ 8000

I e- = 40 mA; I H- = 5 µA

Début 2002

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- + HConclusion: 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

H- test standInstallation d’une grille en inox dans la chambre plasma rectangulaire

Grille à 85 mm, Gain d’un facteur 2 (10

µA)

Toujours sans MF

En changeant la position de la grille (avec reprise des réglages, pression, puissance RF et champ

magnétiqueI H- = 84 µA à 30mm

H- extracted current vs grid position

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Grid position from extraction aperture (mm)

H- i

on in

tens

ity (µ

A)

H- test standLa grille est fixée sur l’électrode plasma

L’ensemble grille et el. pl. est polarisable

I H- 850 µA

Pression optimum: 3.5 à 4 10-3Torr dans la chambre plasma

En fonction de P HF

H- test standPour prouver la production d’ions H-Pas de courrant sur CF avec un plasma d’Hélium

nouvelle analyse avec dipôle et comparaison H+ - H-

e-

H-?

Le fort taux de H3+ provient de la

réactionH2 + H2

+ H3+ + H + 1.71eV

(caractéristique des plasmas froids favorables à la production d’ions H-)

H- test stand

La source fonctionne en mode pulsé (1ms/10Hz), 24H/24,

Pas de dégradation de la grille après plusieurs semaines

“Bonne” efficacité:environ 1 mA / kW avec extraction de 5

mm

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 …