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Roscoff 2013 LES sources d'ions ECR supraconductrices de 3 ème génération: technologie, performances et limitations. SOMMAIRE. INTRODUCTION AUX SOURCES ECR LES SOURCES DE 1 ère , 2 ème ET 3 ème GENERATION TECHNOLOGIE DES SOURCES DE 3 ème GENERATION PERFORMANCES LIMITATIONS

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slide1

Roscoff 2013LES sources d'ions ECR supraconductrices de 3ème génération: technologie, performances et limitations

sommaire
SOMMAIRE
  • INTRODUCTION AUX SOURCES ECR
  • LES SOURCES DE 1ère, 2ème ET 3ème GENERATION
  • TECHNOLOGIE DES SOURCES DE 3ème GENERATION
    • PERFORMANCES
    • LIMITATIONS
  • PERSPECTIVE FRANCAISE
les ingr dients d une source ecr d ions multicharg s

INTRODUCTION AUX SOURCES ECR

Les ingrédients d’une source ECR d’ions multichargés

Une cavité métallique

cylindrique

(multimode en RF)

Une bouteille magnétique (minimum-B) pour confiner

les particules chargées

par effet miroir magnétique

Un vide secondaire 10-5-10-8 mbar

(minimiser l’échange de charge)

Une injection d’atomes

(gaz ou vapeurs métalliques)

Iso-B

vide

Atomes

Champ

électrique

Puissance

RF

Faisceau d’ions Extrait

Une injection de puissance microonde

1-10 kW

Lignes

de champ

Un champ électrique accélérateur pour extraire le faisceau d’ions

Une surface fermée où

Condition de RESONANCE ECR

Génération d’un plasma

Stable d’électrons chauds et d’ions multichargés froids

confinement magn tique d une source ecr

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

BECR

Bz

Axial Mirror

Champ hexapolaire

BECR

|B|(x,z)

z

Source LBNL

2r

z

Source RIKEN, Nakagawa

Iignes Iso-B

Source D. Xie

slide5

SOURCE DE 1ERE GENERATION

La première Source d’ion ECR: SUPERMAFIOS 1975

  • Inventée au CEA Grenoble par l’équipe de R. Geller

R. Geller

  • 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

Bernard

Jacquot

Supermafios

T. Thuillier, LPSC, Journées Accélérateurs, Roscoff, 14 Octobre2013

supermafios source de 1 re g n ration

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 2 me g n ration exemple d ecr4 au ganil 1989

SOURCE DE 2EME 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 mmL200 mm
  • Champ magnétique à la paroi ~1 T

400 mm

1.04 T

0.8 T

BECR~0.5 T

0.35 T

Axial Magneticfieldlines (ECR4M)

FeNdBhexapole

les sources 3g existantes

SOURCE DE 3EME GENERATION

Les sources 3G existantes

SECRAL, Lanzhou, Chine

VENUS, LBL, USA

SUSI, MSU, USA

RIKEN SC ECRIS,Japon

source 3g exemple de venus lbnl

SOURCE DE 3EME GENERATION: TECHNOLOGIE

Source 3G: exemple de VENUS (LBNL)
  • Démarrage projet 1998 -> 1erplasma 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

3T

2.2 T à Ø=140 mm

500 mm

0.4T

Profil magnétique radial le long

de l’axe de la source à R=7 cm

Profil axial

venus cryostat et masse froide

SOURCE DE 3EME GENERATION: TECHNOLOGIE

VENUS: cryostat et masse froide

Power Feed through (1 out of 8)

Cryocooler

Flange

(4)

LN Reservoir

(70 K)

Tourelle de service

HTC Leads

8leads

LHe (upper cryostat) Reservoir (4.2 K)

Vacuum

Feed throughs

50 K

Shield

Warm Bore

Plasma Chamber

Vacuum

Vessel

Cryostat

Cold Masswith Coils Enclosed

77K LN pour thermaliser les 8 amenées

De courant (70 W)

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

Ecran thermique à 50 K alimenté par le 1et étage

Des cryocoolers

Iron Yoke

Links

performance des sources ecr en argon

SOURCE DE 3EME GENERATION: PERFORMANCES

Performance des sources ECR en Argon

Argon

G1 ECRIS!

meilleure G2 aimants chauds à 18 GHz (GTS)

Sources supra

De large volume

ECRIS - G3

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

modified

performance en uranium test venus lbnl msu

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

U33+

O3+

O2+

U34+

U35+

Current (emA)

M/Q

  • Emittance compatible avec les spécif. de FRIB

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

H

V

effet de fr quence ou effet de volume

SOURCE DE 3EME GENERATION: DISCUSSION

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
perforation chambre plasma

SOURCE DE 3EME GENERATION: LIMITATIONS

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

cuisson de l isolant h aute tension

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 Masswith Coils Enclosed

VENUS

Chambre à plasma VENUS

Isolant HT (mylar) endommagé

att nuation des rx par une feuille en ta

SOURCE DE 3EME GENERATION: LIMITATIONS

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…

without

shield

with

shield

HV Insulator

2mm Tantalum

X-ray Shield

Water Cooling Grooves

at the plasma Flutes

Chambre Plasma Aluminium

rx echauffement de la masse froide

SOURCE DE 3EME GENERATION: LIMITATIONS

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 mittance

SOURCE DE 3EME GENERATION: LIMITATIONS

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

PERPECTIVE FRANCAISE

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