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

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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.

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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

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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.

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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 sous-
traitance 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