gobin

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. Sherman
Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, N.M. 87 545, USA
Source de DEUTONS
Banc test H-
Introduction
A Saclay, développement des sources pour 3 programmes :
1) Les faisceaux intenses de H+ pour les ADS
SILHI produit régulièrement des H+ > 100 mA
2) Faisceaux de Deutons pour RIB et Irradiation Tool
Nouvelle source en construction
3) Des ions H- pour Spallation sources or Neutrino production
Source en développement
3 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
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)
Modifications envisagées
 Remplacer les bobines par PM
 Supprimer le blindage magnétique
 Construire un système d’extraction
 40 kV  pas de plateforme
LEDA
 Injection RF via DC break
}
Options gardées
efficaces sur SILHI:
 Disques de BN
 Fenêtre protégée
 EI réglable
 Suppresseur d’électrons
SOURCE DEUTONS
Simulations magnétiques avec OPERA 2D de VF
Bz Opera2D
1500
200
3 Rings L=50 mm
Rint 76 mm, Rext 115 mm
Gaps 10 mm
Gauss
3 Rings L=50 mm
Rint 76 mm, Rext 115 mm
Gaps 4 mm
1000
150
500
100
SILHI
0
-200
-150
-100
-50
0
50
100
-500
150
50
200
0
m
Pour garder un réglage, 3 couronnes d’aimants permanents
séparées par un gap ajustable
SOURCE DEUTONS
Système d’extraction
avec les codes Axcel and OPERA-2D
Forte densité de plasma pour D+ élevés
Minimiser le champ électrique
Minimiser l’émittance et la divergence
2 modes de fonctionnement (0.15 et 5 mA)
Pas de compensation (faible pression)
-2 kV
0 to 8 kV
18 kV
40 kV
Max 61 kV/cm
5 mA
Axcel
simulation
Les 2 modes de fonctionnement
et la variation continue de l’un
à l’autre imposent un système flexible
équipé de 2 électrodes intermédiaires
SOURCE DEUTONS
RF Injection (2.45 GHz)
via ridged transition et WR 284
Plasma Chamber
l=100mm and =90 mm
with 2 BN discs
5 Electrode
Extraction System
Extraction Aperture
=2.5 mm
PM, 3 Rings
(r=76 and 115 mm)
SOURCE DEUTONS
Le point aujourd’hui
2003
- Calculs extraction et configuration magnétique
- Design de la source (aimants, chambre, tube accél.)
- Fabrication en cours
- Début assemblage
Terminés
Terminé
Sept. à Nov.
Nov. déc.
Et la suite,
- Quelques mesures deutons avec SILHI
mi-Octobre
2004
-
Premiers Tests
Installation sur la LBE SILHI
Caractérisation du faisceau
Rapport final avec plans
Janv. et Février
Mars
Avr. à Septembre
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
Proposition: Développer
une source ECR (2.45 GHz) dont la
base repose sur du matériel de rechange de SILHI.
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
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)
Options
Fonctionnement pulsé
Chambre plasma rectang.
Extraction 5 mm
2.45 GHz
Fenêtre protégée
ECR zone à l’entrée RF
Diagnostics plasma
Après 1 an, résultat: rien !!!
Début 2002
H- test stand
Observation des premiers ions Hconfirmée avec un plasma d’helium
et l’analyse des charges positives
Comparison Helium et Hydrogène
10000
Faraday Cup Intensity
e-
Plasma Hélium
Plasma Hydrogène
?
La déviation des électrons par le MF
fausse les mesures
H-
1000
Sans MF, rapport e-/H- ~ 8000
I e- = 40 mA; I
100
10
0
0.5
1
1.5
2
Dipole analyser magnet (A)
2.5
3
3.5
H-
= 5 µA
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- + H
Conclusion:
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 stand
Installation d’une grille en inox dans la chambre plasma rectangulaire
Toujours sans MF
H- extracted current vs grid position
90
80
H- ion intensity (µA)
70
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Grid position from extraction aperture (mm)
Grille à 85 mm,
Gain d’un facteur 2 (10 µA)
En changeant la position de la grille
(avec reprise des réglages, pression,
puissance RF et champ magnétique
I H- = 84 µA à 30mm
90
H- test stand
La grille est fixée sur
l’électrode plasma
L’ensemble grille et el. pl. est
polarisable
I
H-  850 µA
1000
900
800
600
500
400
300
200
1000
Extr 10 kV, Phf 950 W, Pr 4 10-5T
900
100
800
0
0
20
40
60
80
100
120
Grid voltage (V)
10-3Torr
Pression optimum: 3.5 à 4
dans la chambre plasma
Extr10 kV, Vgrid 110 V, Pr 3.5 e-5 T
700
courant d'ions H- (µA)
H- ion current (µA)
700
600
500
400
300
En fonction de P
200
100
0
300
400
500
600
700
puissance incidente en W
800
900
HF
1000
H- test stand
Pour prouver la production d’ions H-
Pas de courrant sur CF avec un plasma d’Hélium
nouvelle analyse avec dipôle et comparaison H+ - H-
Comparison Helium et Hydrogène
10000
Plasma Hélium
Plasma Hydrogène
Faraday Cup Intensity
e1000
?
H-
100
10
0
0.5
1
1.5
2
Dipole analyser magnet (A)
2.5
3
3.5
Le fort taux de H3+ provient de la réaction
H2 + 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
Que de travail encore ! ! !
“Bonne” efficacité:
environ 1 mA / kW
avec extraction de 5 mm
- 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 …