RD Booster de charges RD BOOSTER DE CHARGES

R&D Booster de charges R&D BOOSTER DE CHARGES PHOENIX AU LPSC J. Angot, M. Baylac, L. Bonny, J. Jacob, T. Lamy, M. Migliore, P. Sole, T. Thuillier Journées Accélérateurs de la Société Française de Physique Roscoff 3 -6 Octobre 2017 Journées Accélérateurs, Roscoff , 3 -6 Octobre 2017 1

R&D Booster de charges Sommaire Ø Principe de fonctionnement Ø Contexte Européen Ø R&D Booster Phoenix au LPSC Ø Conclusion et perspectives Journées Accélérateurs, Roscoff , 3 -6 Octobre 2017 2

R&D Booster de charges Principe de fonctionnement Source d’ions ECR à minimum B ~3 x. BECR Bz HF 14, 5 GHz 200 -600 W ~1. 8 x. BECR Structure magnétique à minimum B + Anneaux entourant l’hexapole z Champ hexapolaire ~2 x. BECR PLASMA BECR HT R paroi Injection gaz Vide qq 10 -8 mb Journées Accélérateurs, Roscoff , 3 -6 Octobre 2017 Optique d’extraction 3

R&D Booster de charges Principe de fonctionnement Injection Ø Source d’ions modifiée pour l’injection d’un faisceau d’ions monochargés Ø Capture dans le plasma + multi ionisation Ø Extraction Injection Faisceau 1+ Extraction de faisceaux N+ PLASMA Journées Accélérateurs, Roscoff , 3 -6 Octobre 2017 4

R&D Booster de charges Principe de fonctionnement Banc de test 1+N+ ∆V HT Sources 1+: • ECR (gazeux) • Canon à ions (Alcalins) PLASMA Ø Pour maximiser la capture des ions 1+ : nécessité de régler finement l’énergie des ions entrants Journées Accélérateurs, Roscoff , 3 -6 Octobre 2017 5

R&D Booster de charges Principe de fonctionnement Injection, ralentissement, capture Ø Injection du faisceau 1+ Ralentissement electrostatique et focalisation par le champ magnétique de la source Optique d’injection Booster de charges PLASMA plasma Ø Ralentissement electrostatique, passage du potentiel plasma Ø Ralentissement final par collisions coulombiennes avec les ions du plasma Optimum si vitesse des ions injectés = vitesse moyenne des ions du plasma Journées Accélérateurs, Roscoff , 3 -6 Octobre 2017 6

R&D Booster de charges Principe de fonctionnement Injection, ralentissement, capture Ø Variation de l’énergie des ions entrants pour optimiser la capture Recyclage Ar 8+ Rb 15+ Collage PLASMA Ø Différence de comportement gaz - métaux § Métaux : capture directe § Gaz : recyclage sur les parois Journées Accélérateurs, Roscoff , 3 -6 Octobre 2017 7

R&D Booster de charges Principe de fonctionnement Grandeurs caractéristiques Ø Rendement par charge i. N+ § 3 à 20% selon l’espèce et la masse i. N 0+ Pulse 1+ Ø Rendement total t § 20 à 80% selon l’espèce et la masse Ø Charge Breeding time i. N+ Pulse 1+ I on t 90% § ralentissement + capture + multi-ionisation + extraction § 5 à 20 ms / q i. N 0+ Journées Accélérateurs, Roscoff , 3 -6 Octobre 2017 t start Réponse du signal N+ 8

R&D Booster de charges Contexte Européen Booster ECR Ø 2 projets utilisant la méthode ISOL avec un Booster de charges ECR en cours de construction (SPES) ou sur le point d’entrer en production (Spiral 1 upgrade) Spiral 1 upgrade Ganil Caen SPES LNL Legnaro R&D Booster LPSC Grenoble Ø A plus long terme : projet Eurisol Ø Objectif x 100 sur le taux de production d’ions Journées Accélérateurs, Roscoff , 3 -6 Octobre 2017 9

R&D Booster de charges Contexte Européen Booster de charges Spiral 1 upgrade Ø Booster de type Phoenix modifié par le Ganil en collaboration ANL (Argonne National Laboratory) Ø Testé au LPSC de Avril à Juillet 2015 : efficacités élevées mesurées Ø Installation sur la ligne basse énergie Ganil en Juillet 2016 Ø Tests débutés en Juin 2017, performances reproduites Ø mise en production prévue en Avril 2018 Voir Poster de Arun Annalaru “Méthode 1+N+ : études par simulation numérique de la capture d’ions 1+ par le plasma RCE” Cyclotron CIME Jusqu’à 25 Me. V/A Journées Accélérateurs, Roscoff , 3 -6 Octobre 2017 Experiences de haute énergie 10

R&D Booster de charges Contexte Européen Booster de charges SPES Ø Booster SPES de type Phoenix assemblé au LPSC en 2014 Ø Testé en Mars –Avril 2015 Ø SPES : assemblage des lignes de faisceau en cours Ø Janvier 2019 : premiers tests du Booster Journées Accélérateurs, Roscoff , 3 -6 Octobre 2017 11

R&D Booster de charges R&D Booster phoenix au LPSC Au LPSC : Plan de développement Objectifs pour optimiser les performances du Booster: Ø Augmenter les états de charge et améliorer l’efficacité Ø Réduire le taux de contaminants co-extraits 2016 Vecteurs d’amélioration : Ø Augmentation du confinement et de la densité du plasma § Optimisation de la structure magnétique § Augmentation du volume de la chambre à plasma 2019 § Augmentation de la fréquence HF Ø Amélioration du vide § Application des techniques UHV Ø Matériaux de la chambre § Sélection du matériau, un seul utilisé, chemisage Journées Accélérateurs, Roscoff , 3 -6 Octobre 2017 12

R&D Booster de charges 1ère étape et résultats 1 ere etape Ø Renforcement du champ magnétique à l’injection Ø Simulation magnétique Ø Champ injection 1. 2 T à 1. 6 T (> 3 x. Becr) Ø Redirection du guide d’onde vers le plasma Ø Réglage position des anneaux Ø Assemblage en Juillet 2016 Journées Accélérateurs, Roscoff , 3 -6 Octobre 2017 13

R&D Booster de charges 1ère étape et résultats Mode source seule : Oxygène Distributions d’états de charges Distributions normalisées 1, 2 200 180 1 Intensité faisceau (µA) 160 140 120 100 80 60 40 0, 8 0, 6 0, 4 0, 2 20 0 1 2 3 � : sans plug 4 5 Etat de charge 6 7 8 0 1 2 3 4 5 Etat de charge 6 7 8 � : avec plug Ø Amélioration de la production de multichargés d’Oxygène Ø Léger shift vers les plus hauts états de charge Qeff passe de 3. 8 à 4 Journées Accélérateurs, Roscoff , 3 -6 Octobre 2017 14

R&D Booster de charges 1ère étape et résultats Mode 1+N+ Ø En 1+N+ 23 Na 8+ 23 Na 7+ 40 Ar 12+ 39 K 10+ 85 Rb 19+ 86 Kr 18+ 40 Ar 8+ 132 Xe 26+ 133 Cs 26+ 85 Rb 17+ 86 Kr 15+ 132 Xe 20+ SANS PLUG AVEC PLUG Efficacité (%) CB Time (ms/q) Eff totale (%) Efficicacité (%) CB Time (ms/q) Eff totale (%) 3. 3 8. 6 19 12. 9 65 3. 8 19 14. 2 28. 4 78 11. 7 8. 2 73 10. 4 29 66 11. 3 14. 6 16. 2 9. 8 75 24. 2 8. 6 84 13. 3 5. 9 11. 4 / 13 44. 2 75 7. 5 13. 3 55 11 8. 2 10. 9 12. 0 80 Ø Nette amélioration des efficacités, surtout pour les légers Ø Déplacement vers des plus hauts états de charges (Xe, Rb) Ø Temps de processus : ne dépendent pas directement des efficacités Ø Mais peuvent être long (44. 2 ms /q pour Journées Accélérateurs, Roscoff , 3 -6 Octobre 2017 133 Cs 26+) 15

R&D Booster de charges 1ère étape et résultats Mode 1+N+ 14 SODIUM Gaz support He Efficacité (%) 12 10 8 6 4 2 0 1 2 3 4 5 6 Etat de charge 7 8 9 10 14 XENON Gaz support O 2 � : sans plug � : avec plug � : extrapolations Efficacité (%) 12 10 8 6 4 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 Journées Accélérateurs, Roscoff , 3 -6 Octobre 2017 Etat de charge 16

R&D Booster de charges 1ère étape et résultats Efficacité vs CB Time Ø CB time est un paramètre pouvant être décisif dans certains cas (temps de vie des radioactifs court) Ø Relevé des paramètres efficacité et CB time dans tous les régimes stables du Booster, exemple avec le Cs 26+ (réglage des bobines de confinement, puissance HF, gaz support) 14 12 10 Efficacité Cs 26+ (%) 8 6 4 2 0 0 5 10 15 20 25 30 CB Time (ms/q) 35 40 45 50 Ø Des efficacités encore élevées (>7 %) peuvent être obtenues pour des temps de processus réduits (< 10 m/q) Journées Accélérateurs, Roscoff , 3 -6 Octobre 2017 17

R&D Booster de charges 1ère étape et résultats Vérifications Ø Ajout CF sur propulseur+ câble + pico-amperemetre sur les lignes 1+ et N+ CF ajoutée successivement après la CF 1+ et avant la CF N+ Sur ligne 1+ : Ø Vérification avec faisceaux d’Ar et Kr Ø Essai des calibres 20 n. A, 200 n. A et 2µA Ø Croisement des pico-ampèremètres Ø Ecart maximum de 3. 6% mesuré, la CF habituelle “surestimant” le courant 1+ Journées Accélérateurs, Roscoff , 3 -6 Octobre 2017 Sur ligne N+ : Ø Vérification avec faisceaux d’O+ et O 6+ Ø Croisement des pico-ampèremètres Ø Ecart maximum de 2. 1% mesuré, la CF habituelle “surestimant” le courant N+ 18

R&D Booster de charges Conclusion - perspectives Ø La première étape a permis une nette progression des performances Ø Des expérimentations sont planifiées pour mieux comprendre d’où vient cette progression (confinement, densité electronique, optique ? ) Ø 2 e Etape : modification de la configuration magnétique (bobines et culasse) Simulations magnétiques effectuées, conception mécanique en cours Ø Poursuivre nos collaborations avec pour objectif de mieux comprendre les processus en jeu dans le Booster de charges et améliorer ses performances Journées Accélérateurs, Roscoff , 3 -6 Octobre 2017 19

R&D Booster de charges MERCI POUR VOTRE ATTENTION Journées Accélérateurs, Roscoff , 3 -6 Octobre 2017 20

R&D Booster de charges Principe de fonctionnement Injection, ralentissement, capture Ø Variation de l’énergie des ions entrants pour optimiser la capture Recyclage Ar 8+ Rb 15+ Collage PLASMA Ø Différence de comportement gaz - métaux § Métaux : capture directe § Gaz : recyclage sur les parois Journées Accélérateurs, Roscoff , 3 -6 Octobre 2017 21

R&D Booster de charges Contexte Européen PROJET Spiral 1 upgrade Ø Booster Spiral 1 upgrade Cible Carbone Ensemble cible-source Faisceau primaire ions lourds jusqu’à 95 Me. V / A Cyclotron CIME Jusqu’à 25 Me. V/A Experiences de haute énergie Journées Accélérateurs, Roscoff , 3 -6 Octobre 2017 22

R&D Booster de charges Contexte Européen PROJET SPES, LNL Legnaro Ø Booster SPES de type PHOENIX Faisceau primaire 0. 2 m. A de protons accéléré à 40 Me. V par cyclotron Ens. Cible source, cible UCx Post -accélérateur linéaire ALPI A/q <8. 5 , jusqu’à 1. 2 Me. V/A Spectromètre haute résolution sur plateforme HT Journées Accélérateurs, Roscoff , 3 -6 Octobre 2017 23

R&D Booster de charges 1ère étape et résultats Résultats 1 ere étape Ø Comparaison des distributions : rouge avec plug, bleu sans plug Argon Xenon 25 14 Gaz support He O 12 Efficacité (%) 20 15 10 10 5 1 2 3 4 5 6 7 8 Etat de charge 9 10 11 12 4 0 13 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223242526272829303132 Etat de charge 12 Gaz support He He 10 10 Efficacité (%) 6 � : extrapolations Sodium 12 8 2 0 14 Gaz support O O 8 6 4 Rubidium Gaz support He O 8 6 4 2 2 0 1 2 3 4 5 6 Etat de charge 7 8 Journées Accélérateurs, Roscoff , 3 -6 Octobre 2017 9 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Etat de charge 24

R&D Booster de charges Autres expériementations Dispositif de mesure des instabilités Journées Accélérateurs, Roscoff , 3 -6 Octobre 2017 25

R&D Booster de charges Autres expérimentations Etude des instabilités du plasma ECR Ø Programme Emergence (JYFL – IAP – LPSC) Ø 2 semaines d’expérimentations en Février 2017 Ø Mode source seule : certains réglages conduisent à l’instabilité du plasma ECR Ø Facteur limitant pour le fonctionnement en 1+N+: restriction de la plage de réglage Ø Mesure de ces instabilités par détecteur HF, détecteur d’X et coupelle de Faraday (intensité du faisceau N+) en agissant sur Bmin avec la bobine centrale Ø Reproduction de résultats obtenus avec la source d’ions 14 GHz conventionnelle de JYFL Ø Etude systématique nécessaire pour comprendre les facteurs déterminants dans l’apparition des instabilités (valeur du champ magnétique, gradient …) Journées Accélérateurs, Roscoff , 3 -6 Octobre 2017 26

R&D Booster de charges Autres expérimentations Etude des instabilités du plasma ECR Ø Dans certaines conditions , les instabilités peuvent également être provoquées par l’injection du faisceau d’ions 1+ Ø Effet non immédiat, en mesurant le délai d’apparition des instabilités en fonction de l’intensité du faisceau 1+ : effet cumulatif. Ø Etude en fonction de la masse du faisceau injecté (85 Rb et 133 Cs) Délai d’apparition de l’instabilité (ms) Intensité faisceau injecté Journées Accélérateurs, Roscoff , 3 -6 Octobre 2017 133 Cs+ (n. A) 27

R&D Booster de charges Autres expérimentations Etude des contaminants Ø Mesure de faisabilité fin 2016 § Mesures haute résolution en utilisant un système de fentes § Amélioration du système d’acquisition pour réduire le bruit Ø Identification de pics provenant des matériaux en face de la chambre à plasma en 316 L (Fe, C, Cr, Ni, Mo) et des électrodes en AU 4 G (Al, Cu, Mn, Zn) Ø Augmentation de la production de contaminants lorsque le Booster est utilisé en mode instable (programme Emergence) Ø Nouvelle collaboration avec SPES : matériaux, nettoyage, liners Journées Accélérateurs, Roscoff , 3 -6 Octobre 2017 28