Techniques de conception sur source d`ions compacte à 5,8 GHz

Université Joseph Fourier
Département Licence Sciences & Technologie
RAPPORT DE STAGE
Techniques de conception sur source d’ions
compacte à 5,8 GHz
HOUANG Benjamin
Laboratoire d’accueil : Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie
Directeur du laboratoire : LUCOTTE Arnaud
Responsable du stage : ANGOT Julien
Licence - 2ème année – PMM
Année Universitaire : 2014 - 2015
Remerciements
Je remercie tout d’abord le DLST de l’université Joseph Fourier qui a mis en place ce
dispositif de stages d’excellence rémunérés permettant aux étudiants d’effectuer des travaux
d’été très enrichissants en rapport avec leurs études ce qui est source de motivation dans les
longs cursus que nous suivons. Plus particulièrement, merci à Hervé CERCELLIER,
responsable de l’UE PHY235 qui par l’organisation de visites de laboratoires m’a permis
d’entrer en contact avec le service des sources d’ions du Laboratoire de Physique
Subatomique et de Cosmologie.
Je remercie également tout le service des sources d’ions du LPSC à savoir : Thierry
LAMY, responsable du service des sources d’ions, qui a donné son accord lors de ma
candidature pour ce stage, Thomas THUILLIER pour sa présentation sur les sources d’ions
ECR ainsi que pour ses aides précieuses concernant Mathematica, Patrick SOLE pour ses
enseignements de montages mécaniques et surtout Julien ANGOT, mon maître de stage, à qui
je dois l’essentiel de ce que je sais au sujet des sources d’ions ECR.
1
Sommaire
I) Introduction ............................................................................................................................ 3
II) Présentation du laboratoire .................................................................................................... 4
1) Le Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie............................................. 4
2) Service des sources d’ions.................................................................................................. 4
III) Déroulement du stage........................................................................................................... 5
1) Principe de fonctionnement d’une source d’ions à Résonance Cyclotronique Electronique
(ECR) ...................................................................................................................................... 5
a) Principe général .............................................................................................................. 5
b) Génération de plasma ..................................................................................................... 6
c) Effet miroir ..................................................................................................................... 8
2) La source d’ions compacte à 5.8 GHz .............................................................................. 11
a) Le modèle actuel ........................................................................................................... 11
b) L’objectif de mon stage ................................................................................................ 12
i) Cahier des charges ......................................................................................................... 12
ii) Source d’ions compact à 5.8GHz optimisée ................................................................ 14
IV) Conclusion ......................................................................................................................... 17
Bibliographie ............................................................................................................................ 17
Annexes .................................................................................................................................... 18
1- Fiche technique Supermagnete N48 ................................................................................. 18
2- Fiche technique Euromag N45SH .................................................................................... 20
3- Plan 2D des aimants a, b, c, d et e .................................................................................... 21
4- Devis de la structure magnétique avec aimants sur mesure ............................................. 26
2
I) Introduction
J’ai toujours été intrigué par les phénomènes naturels qui nous entourent tant aux
grandes qu’aux petites échelles. J’ai ainsi rapidement développé un grand intérêt pour la
physique. A présent, je souhaiterais orienter mon cursus dans le but de faire un jour, je
l’espère, de la recherche en physique. C’est la raison pour laquelle j’ai effectué un stage
d’excellence proposé par le DLST me permettant de valoriser mon cursus et d’avoir une
première expérience dans un laboratoire de recherche.
J’ai obtenu ce stage grâce à Hervé CERCELLIER, enseignant d’électromagnétisme
dont j’ai suivi les cours au premier semestre. Dans le cadre de cette UE des séances d’exposés
précédées de visites de laboratoires étaient organisées. J’ai choisi l’exposé « sources d’ions
ECR » proposé par le Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie (LPSC). J’ai
pris contact courant octobre 2014 avec Julien ANGOT et en novembre j’ai visité le service
des sources d’ions durant un après-midi ce qui fut très intéressant. Après mes résultats du
premier semestre, j’ai repris contact avec Julien ANGOT qui a accepté sans délais ma
demande de stage.
Mon stage s’est déroulé du 25 mai au 3 juillet 2015. Après présentation du LPSC,
j’expliquerai la base du fonctionnement d’une source d’ions à Résonance Cyclotronique
Electronique puis j’exposerai les objectifs de mon stage et les moyens mis en œuvre pour les
atteindre.
3
II) Présentation du laboratoire
1) Le Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie
Le Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie de Grenoble (LPSC) est une
Unité Mixte de Recherche (UMR 5821) affiliée à l’Institut National de Physique Nucléaire et
de Physique des Particules, à l’Institut National des Sciences de l'Univers et à l’Institut des
Sciences de l'Ingénierie et des Systèmes du Centre National de la Recherche Scientifique,
ainsi qu'à l’Université Joseph Fourier et à Institut National Polytechnique de Grenoble de
l'Université de Grenoble.
Son effectif moyen est de 220-230 personnes et son budget annuel est d’environ 17
millions d’euros. Le LPSC est donc un acteur important de la recherche grenobloise mais
également au niveau national et dans plusieurs projets internationaux.
Ses objets d’étude sont les particules d’origine cosmique, ou créées à partir de sources
conçues par le LPSC telles que les sources d’ions dans le but de comprendre notre univers de
manière fondamentale aux niveaux de l’infiniment petit et de l’infiniment grand pour ensuite
faire le lien entre ces deux extrêmes liés par le Big Bang. Cependant une partie de l’activité
du LPSC est aussi tournée vers des enjeux sociétaux tels que l’énergie avec la mise au point
de la quatrième génération de réacteurs nucléaires ou encore la santé par l’amélioration de la
radiothérapie.
Enfin le laboratoire partage ses connaissances et compétences au travers de publications,
de l’enseignement, de stages et du développement d’applications qui parfois conduisent aux
dépôts de brevets et à la création de startup.
2) Service des sources d’ions
L'activité principale de l'équipe "Sources d'Ions" du pôle accélérateurs et sources
d'ions du LPSC est dédiée au développement des sources d'ions à la Résonance Cyclotronique
Electronique pour la recherche. Elles sont issues de la reconversion de machines droites
utilisées pour les études sur la fusion thermonucléaire contrôlée effectuée par Richard Geller
dans les années 70 au CEA-Grenoble. Le service gère l’ensemble des étapes allant de la
conception à l’assemblage. Les pièces nécessaires à la construction sont fabriquées par soustraitance ou par le service mécanique du LPSC. Ses principaux projets sont SPIRAL2 qui
consiste à améliorer l’accélérateur SPIRAL1, le booster de charges qui multi-ionise des
4
faisceaux d’ions monochargés et la source ECR 60 GHz (recherche amont). De nos jours les
applications des sources d’ions se diversifient. De nouvelles perspectives apparaissent telles
que la hadronthérapie dans le domaine de la santé ou encore de nouvelles méthodes de
traitement de matériaux et de dépôts dans le domaine des procédés industriels.
III) Déroulement du stage
1) Principe de fonctionnement d’une source d’ions à Résonance
Cyclotronique Electronique (ECR)
a) Principe général
Une source d'ions ECR est un instrument délivrant un faisceau d’ions à partir d’un
gaz. Elle est composée d’une cavité sous vide dans laquelle on crée un champ magnétique et
on injecte une onde hyperfréquence qui permet le chauffage des électrons et la formation d'un
plasma. Les ions formés dépendront de l'énergie moyenne des électrons et du confinement
magnétique et seront extraits à l'aide d'un champ électrique formé par un système d'électrodes
placé à l'extrémité de la cavité.
5
b) Génération de plasma
Un plasma est un milieu gazeux dans lequel les molécules ou atomes sont totalement
ou partiellement ionisés. Il est donc constitué d’ions positifs, d’électrons et d’éléments neutres
au niveau microscopique mais l’ensemble est macroscopiquement neutre.
Pour créer un plasma la principale force utilisée est la force de Lorentz :
Le champ électrique permet d’accélérer et de dévier des particules chargées alors que le
champ magnétique ne permet que la déviation de celles-ci.
Figure 1
Figure 2
Il est possible de démontrer en repartant du principe fondamental de la dynamique
qu’en présence d’un champ magnétique seul, la trajectoire décrite par un électron dans le plan
transverse aux lignes de champ est circulaire. L’électron tourne à la pulsation cyclotronique
𝑉⊥
ω= ⍴ =
𝑒𝐵
𝑚
. On constate qu’elle est constante si B est constant ce qui implique que pour deux
électrons soumis à un même champ magnétique si l’un possède une vitesse V⊥ plus
importante, il tournera sur un rayon de Larmor ρ plus important mais à la même pulsation
6
Figure 3
Dans la chambre à plasma les électrons vont s’enrouler autour des lignes de champ
𝒎
magnétique. La fréquence et le champ magnétique sont reliés par la formule : 𝑩 = 𝟐𝝅𝒇 𝒆 ≈
𝒇
𝟐𝟖
(B en Tesla et f en GHz).
Figure 4
Pour créer le plasma il faut d’abord apporter de l’énergie aux électrons. Ce processus
s’appelle le chauffage des électrons. Il s’effectue par couplage d’une onde électromagnétique
à la Résonance Cyclotronique Electronique : on fait correspondre la pulsation de l’onde
électromagnétique injectée à la pulsation cyclotronique des électrons pour la valeur du champ
magnétique associée à la fréquence ECR (ligne iso-B représentée en rose sur la coupe
longitudinale de la chambre à plasma ci-dessous).
7
Figure 5
Le plasma se crée par interaction, lorsque les électrons ont atteint une énergie
supérieure à l’énergie d’ionisation des atomes du gaz présent dans la chambre.
Figure 6
c) Effet miroir
L’effet miroir a pour but de confiner les électrons et les ions dans la chambre à plasma
en empêchant la rencontre avec les parois qui provoque la perte des particules chargés à cause
des recombinaisons. Dans ce cas les électrons sont réutilisés des milliers de fois ce qui est
beaucoup plus efficace. La Figure 7 expose la démonstration de l’effet miroir extraite de la
thèse de COLY Arona en référence [2] et [3] en donne une démonstration plus détaillée.
8
Figure 7
𝐵𝑚𝑎𝑥
Le rapport R= 𝐵𝑚𝑖𝑛 est appelé rapport miroir et il doit être le plus grand possible ainsi
que la pente entre Bmin et Bmax afin que les électrons fassent le maximum d’aller-retour dans la
chambre avant d’être perdus.
D’un point de vu pratique le confinement longitudinal s’effectue grâce à des bobines
(cf. Figure 8) qui créent un champ magnétique longitudinal en forme de cuvette avec un
second maximum plus faible à l’extraction pour faciliter celle-ci (cf. Figure 18).
Figure 8
9
Le confinement radial est assuré par des aimants permanents formant par exemple un
hexapôle Cette structure crée un champ magnétique radial croissant à partir de l’axe de
l’hexapôle, quelle que soit la direction radiale (cf. Figure 11).
Figure 9
Figure 10
Champ magnétique radial en
fonction du rayon
B (T)
r (mm)
Figure 11
10
La structure magnétique finale a donc cette configuration :
Figure 12
2) La source d’ions compacte à 5.8 GHz
a) Le modèle actuel
Structure magnétique
Figure 13
La source d’ions compacte à 5.8 GHz actuelle est destinée à produire un faisceau de
protons de 1mA ce qui a, par exemple, pour application de remplacer le duoplasmatron du
GEnérateur de NEutrons Pulsés Intenses du LPSC pour une utilisation en mode continu.
J’ai participé à l’assemblage de la structure magnétique de cette source composée
d’aimants Supermagnete N48. Ce sont des aimants cubiques, très bon marché car on les
11
trouve en standard dans le commerce et dont la fiche technique se trouve en annexe 1. La
structure est la suivante :
a
c
e
d
b
b
Figure 14
Vecteur aimantation
Cependant ces aimants ont présenté un gros désavantage : leur assemblage très
fastidieux. Il a nécessité le collage des aimants entre eux pour créer des blocs à l’aide d’une
presse spécialement conçue et la fabrication d’outils afin d’insérer les blocs dans la structure
support.
b) L’objectif de mon stage
L’objectif de mon stage a donc été de créer une structure magnétique à partir
d’aimants taillés sur mesure pour faciliter l’assemblage et optimiser le champ magnétique et
de choisir une nuance d’aimants résistante à la désaimantation.
i) Cahier des charges

la structure ne doit pas être plus volumineuse que celle de la source actuelle :
longueur = 168mm, diamètre = 121mm

les aimants des groupes a, b, c et d doivent avoir une forme trapézoïdale afin
d’augmenter le champ magnétique longitudinal dans la source (cf. Figure 17)

il doit subsister 2mm d’espace entre les aimants des groupes a, b, c et d pour garantir
une structure mécanique solide

chaque aimant du groupe b doit présenter un bizot afin de conserver une marge
d’espace par rapport à l’électrode d’extraction
12

rendre le coefficient de réflexion R et la pente de la courbe du champ axial les plus
grands possible

zone ECR pas à moins d’un centimètre des parois de la chambre (cf. Figure 15)
1 cm
1 cm
Figure 15

ne pas se situer à moins de 1,5 kOe de la désaimantation

BECR = 0.207T

2* BECR (0.414T) <Bmaxinjection<3* BECR (0.621T) (cf. Figure 18)

Bmin = 0.7* BECR = 0.145T

Bmaxextraction = 90% de1.8* BECR (0.336T) et inférieur au minimum de champ sur la
paroi de la chambre qui est de 0.457T (cf. Figure16)
Figure 16 Champ magnétique sur la surface de la chambre à plasma

Champ magnétique rémanent : Br ≅ 13.9 kGs (valeur de la nuance supermagnete
N48)
13
ii) Source d’ions compact à 5.8GHz optimisée
J’ai utilisé le logiciel de calcul formel Wolfram Mathematica pour la modélisation et
l’optimisation de la structure magnétique de la source étudiée.
J’ai effectué les calculs avec la nuance d’aimants H48 de chez Euromag qui est la
nuance analogue de la Supermagnete N48 utilisée pour la source actuelle car nous allions
commander nos aimants sur mesure chez Euromag qui propose des prix plus abordables que
ses concurrents. Tout d’abord j’ai cherché à diminuer le Bmin en augmentant la longueur de
l’hexapôle de 96mm à 125mm mais cela a eu pour effet de rapprocher la zone ECR à moins
d’un centimètre des parois. J’ai trouvé un compromis à 102mm. La structure ne devant pas
s’agrandir, pour compenser l’allongement, il fallait raccourcir la longueur suivant z (axe de
révolution de la source) des aimants des groupes a et b. Après plusieurs essais d’optimisation
je suis arrivé à :

Lza = 46mm (longueur de l’aimant a selon z)

Lzb = 20mm

Lzc = 27mm

Lzd = 26mm
b
a
c
Figure 17
14
c
e
d
b
Figure 18
Au final, Lza+ lhexa+Lzb= 168mm. On conserve les dimensions de la structure magnétique
antérieure. Le raccourcissement de Lzc a permis d’atteindre le Bmin=0.7*BECR. L’allongement
de Lzd a permis d’atteindre le Bmaxextraction (extraction)= 90% de 1.8* BECR. J’ai vérifié que
cette valeur est bien inférieure au Bmin sur les parois de la source afin de ne pas avoir trop de
pertes contre les parois de la source. J’ai également vérifié que 2* BECR <Bmaxinjection<3* BECR
(voir la courbe verte foncée de la figure 18).
J’ai ensuite écris un programme me permettant de « scanner » la structure ci-dessus en
calculant sur 120°( symétrie de révolution de la structure avec un pas de 120°) pour des plans
⃗ .𝑀
⃗⃗ )/𝑀
⃗⃗ pour savoir quelle serait l’excitation
de coupe longitudinaux le produit scalaire (𝐻
coercitive maximale que devrait supporter les aimants (cf. Figure 19).
15
b
d
c
a
c
e
Figure 19
Vecteur aimantation
Elle était de -15.9 kOe et il fallait que l’excitation coercitive maximale que pouvaient
supporter mes aimants soit de -15.9-1.5=-17.4kOe (voir annexe 2). La nuance 48H ne
convenait pas car son excitation coercitive maximale est de 16 kOe. J’ai donc choisi la nuance
d’aimants Neodyme Fer Bore 45SH de chez Euromag qui peut supporter jusqu’à 20 kOe
d’excitation coercitive (fiche technique se situe en annexe). J’ai ensuite ré-optimisé la taille
des aimants de la structure avec cette nuance (courbe verte claire sur la Figure 18) et je suis
parvenu aux dimensions suivantes :

Lza = 47mm

Lzb = 19mm

Lzc = 25mm

Lzd = 28mm
Après cette étude j’ai effectué la mise en plan des aimants et j’ai demandé un devis à la
société Euromag.
Le devis s’établit à 8950€ (cf. annexe 4) qu’il faut comparer à la somme de 642€ pour la
configuration initiale. Mais, au-delà du coût, d’autres paramètres sont à prendre en
considération pour le choix des aimants : facilité de montage, qualité des aimants….
16
IV) Conclusion
Ce stage m’a en premier lieu permis de renforcer mes connaissances de
magnétostatique en les appliquant au cas concret d’une source d’ions. En parallèle, il m’a
apporté des compétences en modélisation grâce à l’utilisation d’un logiciel de calcul formel,
de mécanique tant au niveau du montage de la source en assistant à l’utilisation de machines
outils telles que le tour, qu’au niveau dessins industriels par l’utilisation de DraftSight. J’ai
également appris à mener une étude jusqu’au bout, en respectant un cahier des charges.
De plus ce stage a été une expérience humaine très enrichissante car j’ai discuté avec
des personnes ayant des compétences dans des domaines très variés : physiciens, mécaniciens,
techniciens et ingénieurs et chacun d’eux m’a beaucoup apporté en terme de connaissances et
d’expérience.
Bibliographie
[1] Arnaud Lucotte, d. d. (2011). Présentation du LPSC. Consulté le juin 22, 2015, sur
lpsc.in2p3.fr:
http://lpsc.in2p3.fr/index.php/fr/le-lpsc/presentation-generale-du-lpsc/lpscpresentation
[2] Arona, C. (2010). Etudes expérimentales de sources d'ions RCE à 2,45GHz pour la
production de courants intenses. Grenoble.
[3]
Gallagher,
D.
P.
(s.d.).
Consulté
le
juin
2015,
sur
https://www.tcd.ie/Physics/people/Peter.Gallagher/lectures/PlasmaPhysics/Lecture5_single_p
article.pdf
17
Annexes
1- Fiche technique Supermagnete N48
18
19
2- Fiche technique Euromag N45SH
20
3- Plan 2D des aimants a, b, c, d et e
21
22
23
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25
4- Devis de la structure magnétique avec aimants sur mesure
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