Ple acclrateurs et sources dions Sources dions pour

Pôle accélérateurs et sources d’ions Sources (d’ions) pour la Physique Orateur T. Lamy Conseil Scientifique du LPSC, 29 - 30 novembre 2012, Pôle Accélérateurs et Sources d’Ions, Sources pour la Physique 1

Contexte scientifique Développements pour les accélérateurs TRIUMF – SPIRAL 2 – Beta Beams – SPES Sources d’ions A fonctionnement continu ou pulsé A haute efficacité (Booster de charge) Produisant des faisceaux intenses (100 µA – m. A) gazeux ou métalliques Produisant des faisceaux peu intenses (µA) mais de haute stabilité Lignes d’analyse Optique d’extraction (interface source - ligne de transport) Séparation en charge et en masse (filtres de Wien, dipôles magnétiques) Optique de transport (électrostatique et magnétique) solénoïdes, steerers, lentilles de Einzel, lentilles cylindriques Diagnostiques de faisceau Diagnostiques de caractérisation optique et d’intensité Les techniques maîtrisées simulations, conception, mise en oeuvre, mesures physiques Vide, ultra-vide, magnétisme, micro-ondes, haute tension, aimants permanents, courants forts, alignements, sécurité, contrôle-commande. . . Et surtout l’intégration de toutes ces techniques pour en faire une source fonctionnelle Conseil Scientifique du LPSC, 29 - 30 novembre 2012, Pôle Accélérateurs et Sources d’Ions, Sources pour la Physique 2

Principes des sources ECR Phénomène de base Électron dans B + onde électromagnétique ce (rad/s) = e*B/me Population d’électrons Si h. f = ce Résonance cyclotronique électronique Transfert d’énergie vers les électrons Collision – Ionisation – plasma Confinement électrons ions multi-ionisation Confinement magnétique stable MHD Faible confinement instable MHD Meilleur confinement Minimum-B stable MHD Bon confinement H. T. Les charges et courants extraits dépendent de la densité du plasma, du volume de celui-ci, du temps de confinement, de la pression de neutres. . . Sources ECR performantes: électrons chauds ( centaines de ke. V), ions froids (quelques e. V) Conseil Scientifique du LPSC, 29 - 30 novembre 2012, Pôle Accélérateurs et Sources d’Ions, Sources pour la Physique 3

De la basse à la haute intensité ionique Source basse intensité (Ex: MIMAC 2. 45 GHz / 300 W) Anneau d’aimants permanents (870 gauss) Une simple antenne 103 ions/s de He 2+ à F 2+ Source performantes à minimum-B Lois d’échelles ECR Binj ≈ 4 * BECR Brad ≈ 2*BECR Bmed ≈ 0. 6 BECR Bext ≈ 0. 9 Brad h. f (GHz) Brce (T) 2. 45 0. 087 10 0. 36 18 0. 64 28 1 La densité du plasma varie comme h. f 2 Facteur 55 entre 2. 45 et 18 GHz Augmenter h. f. c’est augmenter B Conseil Scientifique du LPSC, 29 - 30 novembre 2012, Pôle Accélérateurs et Sources d’Ions, Sources pour la Physique 4

Caractérisation des sources : lignes d’analyse Exemples de lignes standard construites par l’équipe sources Ligne MIMAC: upgrade du filtre de Wien au dipôle magnétique Diagnostiques Aimant d’implanteur Ligne N+ Booster Lentille glazer Emittancemètres Allison type Ligne faisceaux intenses Conseil Scientifique du LPSC, 29 - 30 novembre 2012, Pôle Accélérateurs et Sources d’Ions, Sources pour la Physique 5

La Ligne Basse Energie de SPIRAL 2 (1) Conception QT QT H S Au LPSC la ligne a été assemblée et testée, la source a été conçue et construite Responsables: T. Thuillier et C. Peaucelle (IPNL) Octobre 2008 Mars 2009 Juin 2009 Conseil Scientifique du LPSC, 29 - 30 novembre 2012, Pôle Accélérateurs et Sources d’Ions, Sources pour la Physique 6

La Ligne Basse Energie de SPIRAL 2 (2) Objectifs Validation et optimisation de l’ensemble source d’ions + ligne de tri Tenue Haute-Tension, transport faisceau Tests de l’ensemble des équipements Validation du contrôle commande sous EPICS Tests des diagnostics (CF, fentes, profileurs, émittancemètres…) Validation expérimentale du transport longue durée d’ 1 m. A d’ 06+ à 60 k. V Études expérimentales demandées par l’équipe dynamique faisceau Mesure de la résolution du dipôle Validation des calculs d’optique… Commissioning en O, Ar, He, Xénon (+ Calcium) de 2010 à 2012 Alimentations et charges optiques testées et corrigées Automatismes et Contrôle Commande (EPICS) testés et validés Vide : 2. 10 -8 mbar Très bonne transmission (92 à 98 %) après optimisation de l’optique Résolution dipôle < 1% (bonne séparation Xe 25+ and O 3+) Tests Diagnostics : 2 CF, 3 profileurs, 2 jeu de fentes et les émittancemètres Conseil Scientifique du LPSC, 29 - 30 novembre 2012, Pôle Accélérateurs et Sources d’Ions, Sources pour la Physique 7

La Ligne Basse Energie de SPIRAL 2 (3) Transport de faisceau : comparaison avec la simulation LBE calculée et simulée par le GANIL, CEA/Irfu et IPNO avec Tracewin La simulation a été validée expérimentalement à partir des mesures (CF, profileurs et émittancemètres) L’optique a pu être optimisée automatiquement avec Tracewin pour avoir soit le maximum d’intensité soit le meilleur profil : H: 0. 35 pi. mm. mrad V 0. 45 pi. mm. mrad LBE optimisée pour Ar 12+ @ 40 k. V H: 0. 30 pi. mm. mrad V 0. 25 pi. mm. mrad Conseil Scientifique du LPSC, 29 - 30 novembre 2012, Pôle Accélérateurs et Sources d’Ions, Sources pour la Physique 8

PHOENIX V 2 source de démarrage de SPIRAL 2 Source classique PHOENIX V 2 18 GHz / 2 k. W Modification et upgrades successifs de la source PHOENIX développée pour les faisceaux de plomb pulsé du LHC (600 µA Pb 27+), 3 solénoïdes, 1 hexapole à aimants permanents (Fe. Nd. B) plasma 0. 6 litre Extraction double électrode Seule source au monde fonctionnant à 60 k. V sans plateforme haute tension Conseil Scientifique du LPSC, 29 - 30 novembre 2012, Pôle Accélérateurs et Sources d’Ions, Sources pour la Physique 9

PHOENIX V 2 : bons résultats Collaboration pour le développement des faisceaux Four LCO du Ganil Argon 200 µA 12+ 60 k. V Oxygène 1. 3 m. A 6+ Nickel Faisceaux stables Et reproductibles Conseil Scientifique du LPSC, 29 - 30 novembre 2012, Pôle Accélérateurs et Sources d’Ions, Sources pour la Physique 21 µA 19+ 10

Source intermédiaire : A-PHOENIX Source hybride (2 bobines HTS He free, 1 bobine chaude, aimants permanents) Le plus gros hexapôle du monde Champ magnétique axial Binj≤ 3 T Bext ≤ 3 T Champ magnétique radial 11 Chambre plasma spéciale Br =2. 1 T (chambre spéciale) Br=1. 55 T (aimants permanents) 6 doubles inserts en fer Conseil Scientifique du LPSC, 29 - 30 novembre 2012, Pôle Accélérateurs et Sources d’Ions, Sources pour la Physique 11

Mauvais résultats d’A-PHOENIX Expériences à 18 GHz 2008: 350 µA O 6+ seulement (attendu: 1. 5 m. A) Très faible charge moyenne Mauvais couplage HF suspecté 2009: Nouvelle injection HF mobile Longueur cavité variable (δz~80 mm) Nouveau système d’injection HF Amélioration nette de l’état de charge 2010: 460 µA O 6+ Fin 2010 chambre spéciale simples inserts (augmentation Br +0. 2 T) 2011: 560 µA O 6+ convexité du champ radial, problème magnétique ? Instabilité de type ‘bouteille magnétique’ ? Nouvelle bride injection Du fait de la prise en charge de la LBE, temps expérimental insuffisant et discontinu Possibilité de renforcer le champ radial (chambre doubles inserts) Fonctionnement 28 GHz à tester Consacrer du temps à la R&D ou abandonner. . . Conseil Scientifique du LPSC, 29 - 30 novembre 2012, Pôle Accélérateurs et Sources d’Ions, Sources pour la Physique 12

Stratégie sources futures de SPIRAL 2 Etape 1: évolution de PHOENIX V 2 vers V 3 Les sources de grand volume délivrent plus d’intensité Augmenter le volume de plasma de 0. 6 à 1. 3 litres pour un même champ radial Changement du noyau central (hexapôle et chambre à inserts en fer) Double fréquence HF (14 + 18 GHz), doublement de capacité du four V 2 V 3 V 2 Financement par Cluster of Research Infrastructures for Synergies in Physics (CRISP) Premier faisceau attendu septembre 2013 Conseil Scientifique du LPSC, 29 - 30 novembre 2012, Pôle Accélérateurs et Sources d’Ions, Sources pour la Physique 13

Stratégie sources futures de SPIRAL 2 Etape 2: vers une source entièrement supraconductrice ? Si le financement est trouvé !! (quelques millions d’€. . . ) Minimiser les risques ! (REX MS-ECRIS, VENUS. . . ) Volume plasma 6 -12 litres 3 -0. 7 -4. 4 T Miroir Axial Br~2. 4 T confinement radial hexapolaire Grand volume de plasma (6 -12 l) Champ magnétique optimisé pour 28 GHz Collaboration possible en cours d’évaluation (LPSC - GANIL - IRFU - Institut Néel) ? Temps de développement 4 ans Dossier en maturation pour septembre 2013 ~1 m SPIRAL 2 doit être le demandeur et le financeur. . . Conseil Scientifique du LPSC, 29 - 30 novembre 2012, Pôle Accélérateurs et Sources d’Ions, Sources pour la Physique 14

Le Booster de charge ECR (1) Méthode inventée à l’ISN (projet PIAFE), en progrès constants PHOENIX Booster Capture par le plasma ECR Multi-ionisation Efficacité 1+ N+ Temps de réponse Décélération Faisceau N+ Faisceau 1+ Haute tension Optique Masse Conseil Scientifique du LPSC, 29 - 30 novembre 2012, Pôle Accélérateurs et Sources d’Ions, Sources pour la Physique 15

Le Booster de charge ECR (2) Schéma de tension pour optimiser la capture IN+ ( V) plots Image of the capture Suppression du tube ralentisseur Simulation puis réalisation Volts Aujourd’hui Capture des gaz : 80 % alcalins : 55 % 85 Rb+ 85 Rb 17+ 7. 5% Efficacités gaz : + 20% (Ar 11+11. 4%) Efficacité alcalins : +80% (Rb 15+ 6. 5%) Charge breeding time 226 ms (about 13 ms per charge) PHOENIX Booster acheté par ISAC-TRIUMF et CRLC Daresbury TRIUMF en fonctionnement, Daresbury au GANIL pour upgrade SPIRAL 1 Problème des superpositions “d’impuretés” aux faisceaux radioactifs (pas étudiable au LPSC) Conseil Scientifique du LPSC, 29 - 30 novembre 2012, Pôle Accélérateurs et Sources d’Ions, Sources pour la Physique 16

Le Booster de charge ECR (3) Futur immédiat 2012 -2013 Fin des études détaillées de nucléarisation SPIRAL 2 (beaucoup de mécanique) au SERM Niveau de détail très élevé 2012 -2015 contrat Nu. PNET “Enhanced Multi-Ionization of short-Lived Isotopes at EURISOL” 10 k€/an LPSC R&D charge breeders Prototypes de sources COMIC 2. 45 et 5. 8 GHz chaudes 600 °C puis 1200 °C, effets de température Fabrication et tests chambre à plasma calculée par l’INFN, Booster nouvelle structure magnétique à fort gradient Expériences communes sur le banc de test du LPSC 2013 -. . . Scoop: SPES a obtenu le financement pour la partie booster de charge, ils souhaitent que nous le construisions. Nouveau projet à évaluer au sein du LPSC lorsqu’ils formuleront leur demande. . . Futur Nous envisageons d’arrêter cette thématique à moins qu’une installation la rentabilise (scientifiquement et financièrement) Ligne N+/ Analyse Booster Le projet a débuté dans l’équipe (responsabilité de l’étude détaillée) Transfert au Service de Mécanique (Resp. D Bondoux). Travail remarquable de la part du SERM. Quand la phase 2 verra le jour, possibilité de construction de cette ligne au sein du pôle. Conseil Scientifique du LPSC, 29 - 30 novembre 2012, Pôle Accélérateurs et Sources d’Ions, Sources pour la Physique 17

R&D amont sources hautes fréquences (60 GHz) Contexte R&D sur les faisceaux de plomb pulsés pour le LHC Collaboration avec l’Institute of Applied Physics (Nizhnyi Novgorod-Russia) sur les faisceaux pulsés Proposition de source ECR 60 GHz pulsée pour Beta-Beams (EURISOL puis Euro-nu) La source ECR Développement d’un prototype ECR 60 GHz utilisant les techniques d’aimant à champ intense Suite à des simulations simples (Radia-Mathematica) , choix de la technologie Cahier des charges Zone ECR 60 GHz fermée au centre ne touchant pas les parois, n’interceptant pas de ligne de champ allant sur les parois Conseil Scientifique du LPSC, 29 - 30 novembre 2012, Pôle Accélérateurs et Sources d’Ions, Sources pour la Physique Semble possible avec 4 hélices à refroidissement radial 18

Projet 60 GHz : démarche et détails H 4 R H 2 Extraction H 3 Inj hélices extraction H 1 z H 4 H 1 H 2 Chambre Plasma H 3 hélices injection Injection Pièce de base: échangeur Hélices et passages de courant 2 sous ensembles Extraction 6 MW Injection Brides de fermeture Prototype assemblé • 7 T injection (spec. 6 T) • 3. 5 T ion extraction (spec. 3 T) Proto Alu H 1 • 4. 9 T radial mirror (spec. 4 T) Conseil Scientifique du LPSC, 29 - 30 novembre 2012, Pôle Accélérateurs et Sources d’Ions, Sources pour la Physique 19

Le premier prototype 480 mm Conseil Scientifique du LPSC, 29 - 30 novembre 2012, Pôle Accélérateurs et Sources d’Ions, Sources pour la Physique 20

La première expérience Installation site M 5 Installation d’un circuit hydraulique parallèle (prélèvement d’environ 50 l/s sur le débit total de 150 l/s) Connexion électrique en série avec M 5 ( « faible » consommation de puissance du prototype) Mesures champ magnétique Prototype axis Sonde de Hall Sondes de Hall Vérin Iso-B in the prototype at 15000 A • La zone de résonance 1 T est établie à 12300 A, test de connexion directe (sans M 5) effectué : OK Conseil Scientifique du LPSC, 29 - 30 novembre 2012, Pôle Accélérateurs et Sources d’Ions, Sources pour la Physique 21

Deuxième expérience: objectif premiers faisceaux Site M 3 (salle dédiée mise à disposition par le LNCMI) Besoin d’une ligne de faisceau dans un labo de champs intenses. . . Analyse des risques (HT, HF, rayons X), Etude de génie civil (dalle), adaptation mécanique pour la connexion directe hydraulique sur l’installation et la connexion directe sur deux alimentations De-ionized water: 8 bars - 20 l/s Current Intensity : 15 k. A Montage des pièces de la source Conseil Scientifique du LPSC, 29 - 30 novembre 2012, Pôle Accélérateurs et Sources d’Ions, Sources pour la Physique 22

Deuxième expérience: Premier faisceau La “ligne de faisceau” Premier faisceau Gyrotron 28 GHz en panne Installation d’un klystron 18 GHz Constatations Amorçage du plasma à très basse puissance Présence d'ions multichargés (jusqu’à Ar 7+) Possibilité de produire de fortes intensités ioniques (jusqu’au m. A pour les basses charges dans un diamètre de 4 mm) Ces premières données expérimentales encourageantes sont en cours d’analyse Conseil Scientifique du LPSC, 29 - 30 novembre 2012, Pôle Accélérateurs et Sources d’Ions, Sources pour la Physique 23

Troixième expérience: Premier plasma à 60 GHz. . . Aspect collaboratifs Souhait de poursuivre la collaboration avec le LNCMI Demande de financement d’un Doctorant LPSC-LNCMI (IN 2 P 3 -INP) Fin d’un contrat ISTC avec l’Institute of Applied Physics (Nizhnyi Novgorod) Gyrotron 60 GHz-300 k. W pulsé (5 Hz) livré, en cours d’installation Financé par le CNRS-LPSC et l’Europe Souhait de poursuivre les collaborations Fin de Beta-Beams du fait de la nouvelle physique du neutrino Demande de champ faite auprès du European Magnetic Field Laboratory Les expériences seront programmées après le redémarrage du LNCMI en Mars 2013 Technique Nous avons testé le prototype à fort champ lundi, un court circuit s’établit entre deux spires à 21000 A, un démontage est prévu pour changer les isolants (et la technique initiale qui était trop fragile. . . ) Le plasma a aussi fait quelques dégâts, ce qui n’est pas mauvais signe. . . Conseil Scientifique du LPSC, 29 - 30 novembre 2012, Pôle Accélérateurs et Sources d’Ions, Sources pour la Physique 24

Porteurs de projets futuristes Co-porteur Equipex Ce. PIT Centre de Plasma denses, de faisceaux d’Ions Intenses, d’ondes THz intenses Non retenu Porteur Equipex COLOSSECRIS Câbles supras HTS Mg. B 2 2 cryostats de 600 mètres Diamètre 163 mm entre LNCMI et LPSC / ESRF / ILL (4*15000 A) pour: la R&D sources futures à 60 GHz, les études expérimentales sur les aimants splittés avec des X ou des neutrons (ESRF, ILL) La source supraconductrice SPIRAL 2 Intenses discussions en cours pour la réactivation du projet par le LNCMI sans la source supraconductrice SPIRAL 2 Conseil Scientifique du LPSC, 29 - 30 novembre 2012, Pôle Accélérateurs et Sources d’Ions, Sources pour la Physique 25

Merci pour votre attention Conseil Scientifique du LPSC, 29 - 30 novembre 2012, Pôle Accélérateurs et Sources d’Ions, Sources pour la Physique 26