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 24 25 4- Devis de la structure magnétique avec aimants sur mesure 26