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Situation :
Le dispositif SPIRAL a pour objet la production d’un faisceau d’ions radioactifs en irradiant un Ensemble Cible-Source par un faisceau stable de haute
énergie.
Le GANIL est une installation soumise à autorisation et le mode d’irradiation des cibles est réglementé. Actuellement l’irradiation de ces cibles est limitée
par un critère de sûreté de 15 jours indépendamment du faisceau irradiant (de son type, de sa puissance, de sa disponibilité).
Projet :
Une demande de modification de ce critère a été formulée auprès des autorités de sûreté : le nouveau critère serait que le nombre total d’ions reçus par la
cible (fluence) ne doit pas dépasser un certain seuil, fonction du risque radiologique.
Afin de contrôler ce nouveau critère, le projet CICS (Contrôle de l’Irradiation de la Cible de SPIRAL) a été lancé : il s’agit de mettre en oeuvre un système
de mesure et de contrôle fiable de l’intensité du faisceau qui permette de connaître à tout instant l’intensité instantanée et intégrée du faisceau pour chaque
cible. L’intensité du faisceau étant l’image du nombre d’ions par seconde.
Contrôle de l’Irradiation de la Cible de Spira1-I
Projet CICS
P.Anger, C.Doutressoulles, M.Ozille, JF.Rozé, JC.Deroy, B.Jacquot, M.Dubois, S.Faure, F.Bucaille, C.Mauger
Grand Accélérateur National d’Ions Lourds (GANIL), Caen, France
e-mail : [e-mail]
SFP
Journées accélérateurs
ROSCOFF 2005
Résumé : Le projet CICS doit permettre à terme, en contrôlant un nouveau critère de sûreté, d’optimiser la planification des
expériences avec l’installation Spiral1 ainsi que les coûts d’exploitation du dispositif. Ce nouveau critère est la fluence maximale
(nombre maximal d’ions du faisceau incident reçus par l’Ensemble Cible Source de Spiral). Pour contrôler ce critère, un système
développé en assurance qualité a été mis en place et notamment une instrumentation afin de mesurer l’intensité du
1. Introduction
Faisceau
Primaire
Cible
Ensemble Cible Source
ECS : Ensemble
cible - source
Faisceau
d’ions
exotiques
(méthode
ISOL)
Cible :
Deux capteurs permettent de mesurer l’intensité du faisceau primaire irradiant l’ECS (Ensemble Cible source de l’installation SPIRAL) en restituant un
signal électrique fonction de l’intensité.
Une chaîne de mesure dédiée traite le signal de chaque capteur afin qu’ils puissent être numérisés par un système informatique.
Ce système informatique dédié et autonome pourra tester l’ensemble des deux instrumentations et gérer les dysfonctionnements.
Par l’intermédiaire d’une interface utilisateur, le système informatique reçoit les informations nécessaires (type du faisceau primaire, identification de l’ECS
et le nombre maximal autorisé d’ions incidents) afin qu’il puisse mesurer l’intensité du faisceau, calculer le nombre de particules par seconde et intégrer le
nombre d’ions projetés sur la cible.
Deux supports d’archivage fiables et permanents mémorisent les données essentielles de l’irradiation de chaque ECS.
Deux moyens de coupure du faisceau lors d’un dysfonctionnement ou lorsque la cible a reçu le nombre d’ions maximal autorisé (nouveau critère de sûreté).
2. Description du système
La mesure de l’intensité s’effectue par la mesure du champ magnétique généré par le faisceau pulsé (fig.1)
en utilisant un transformateur d’intensité haute fréquence de 10 spires (FCT).
Le transformateur d’intensité (fig.2) fournit un signal image de l’intensité du faisceau à une chaîne de
traitement.
L’amplitude de la seconde harmonique du signal est détectée par un amplificateur à verrouillage de phase.
Cet amplificateur à verrouillage de phase (détection synchrone) est un modèle “SR844”de la société Stanford
Research Systems (fig.3).
La valeur moyenne de l’intensité est calculée par la relation des séries de Fourier entre l’amplitude de
l’harmonique 2et la valeur moyenne (fig.1):
Cette chaîne de mesure est doublée (fig.4) afin d’assurer une redondance active et de fiabiliser la mesure
de l’intensité du faisceau.
Le coefficient de dispersion (D) est calculé et doit être inférieur à une valeur maximale :
Les chaînes de mesure sont qualifiées afin de connaître l’incertitude globale de la mesure et de majorer par
traitement logiciel l’intensité calculée :
La gamme de mesure de l’intensité est de 10nA à 50µA.
Une spire supplémentaire a été intégrée dans le transformateur afin de tester la chaîne de mesure (fig.5) :
l’injection d’un signal sinusoïdale de fréquence 2F permet de tester la disponibilité de l’équipement.
3. Principe de mesure de l’intensité
du faisceau
Fig.3 : Détecteur d’amplitude “SR844”
Test B
Test A
Faisceau
Mesure de I traitée
Configuration & Etat
Appareil de Mesure
A
B
Commandes &
Etats des Tests
Détection
d’amplitude A
Filtrage PB
30 MHz
Détection
d’amplitude B
Filtrage PB
30 MHz
Signal RF
Référence
G1 A
Casemate des
accélérateurs Galerie d’instrumentation
G1 B
G
Adaptation
du niveau
Mesure de I traitée
Configuration & Etat
Appareil de Mesure
Figure 5 : Synoptique de l’instrumentation
Génération
du signal de
test
F
1
2
)4(1
)2cos(
2
2
2
2
0a
F
F
a
a
si
4. Intégration mécanique
Figure 8 : Plans mécaniques
Figure 7 : Assemblage mécanique
des 2 capteurs
L’ensemble est installé dans la ligne de
faisceau L4 quelques mètres avant la cible de
Spiral (fig.6).
5. Description du système informatique
Figure 11 : Contrôleur Compact Fieldpoint
Entrées et
sorties
analogiques Entrées et sorties
TOR
CPU Autonome
Liaison
Ethernet
Mémoire
Compact-
Flash
Liaisons RS232
Figure 12 : Interface Utilisateurs
Figure 14 : Banc de test avec chambre climatique
Figure 13 : Ligne coaxiale de test pour FCT
Un contrôleur industriel temps réel de type Compact Fieldpoint
(fig.11) de la société National Instruments
Autonome : il comporte son propre système d’exploitation
embarqué et est programmé en Labview
Calcule l’intensité du faisceau détectée et la fluence des
particules
Coupe le faisceau avec des blocs arrêt-faisceau lors d’un
dépassement de seuil ou d’un dysfonctionnement
Archive l’historique de l’irradiation sur une mémoire locale et à
distance sur un PC utilisateur
Possède une interface homme-machine afin de configurer le
système et informer les utilisateurs (fig.12).
Les deux capteurs sont intégrés dans un ensemble mécanique
placé dans une chambre à vide.
6. Assurance Qualité
L’étude, la réalisation et l’exploitation de ce système doivent répondre à des exigences de qualité afin de contrôler le nouveau critère de sûreté.
La véracité de la mesure de l’intensité, la gestion des défaillances et la fiabilité de l’ensemble ont été traités dès la conception. (l’incertitude de la chaîne de
mesure sera traitée quelle que soit la fréquence du faisceau, la longueur spatiale des paquets, la température de fonctionnement des sous-ensembles et quels que
soient les modules ou leurs rechanges installés )
Pour calculer l’incertitude de chaque sous-ensemble, une ligne coaxiale de test a été utilisé (fig.13) et un banc de test avec une chambre climatique régulée a été
développé (fig.14).
Ce système mécanique est soumis à une
pression de 10-6Pa, il a un taux de fuite meilleur
que 10-10Pa.m3/s pour He. (fig.7, fig.8)
7. Conclusion Ce projet est en fin de réalisation (attente des autorisations de mises en service). Il permettra de mieux gérer l’irradiation des cibles en baissant le nombre d’Ensemble Cible Source utilisés chaque année
Il permettra, aussi, d’exploiter en assurance qualité un système de mesure qui garantit une incertitude absolue de la mesure.
Traitement B
Système
informatique
Interface
utilisateurs
Archivage (x2)
Faisceau
Identification de
l’ECS
Utilisateurs
Coupure faisceau (x2)
E.C.S. TestTest
Capteurs de
l’intensité du
faisceau (non
interceptif)
Schèma fonctionnel :
Traitement A
Test Test
•Type de faisceau (A,
Z, Q, E, F)
•Critère de sûreté (NB
d’ions max.)
•Informations
•Alarmes
Installation
SPIRAL-I
Cyclotrons accélérateurs
Aires d’expériences
Plan du GANIL
Figure 6 : Plan de la ligne de transport
Intégration
mécanique Coupure de faisceau
faisceau, calculer le nombre de particules par seconde et l’intégrer dans le temps. Cette instrumentation est composée de deux
chaînes de mesures redondantes dont l’acquisition est réalisée via un contrôleur industriel temps réel. L‘incertitude de mesure
enveloppe a été chiffrée quelles que soient les variations de la longueur spatiale des paquets de faisceau, quelle que soit la
fréquence du faisceau, la température, les modules installés ou leur rechange.
Installation SPIRAL
vers les aires
d’expériences
Faisceau primaire
Faisceau
d’ions
exotique
Plan des accélérateurs du GANIL
IS= IFaisceau /Nombre de spires
RTV
(Secondaire)
IFaisceau
(Primaire)
IS
Figure 2 :Transformateur torique
Figure 4 : Transformateurs
d’intensité Haute Fréquence
BERGOZ FCT-082-10:1-WB
1 paquet
< T/30 Imoy
Z
Y
X
t
Caractéristique du
faisceau dans le
domaine spatial :
Caractéristique de
l’intensité du faisceau
dans le domaine
temporel:
0 F 2F 3F 4F 5F 6F 7F …… nF f
Caractéristique de
l’intensité du faisceau
dans le domaine
fréquentiel:
Mesure de l’amplitude de la 2nd harmonique
O
s(f)
Figure 1 : Caractéristique du faisceau irradiant la cible de Spiral :
I(t)
0T = 1 / Fmachine
max
)()(
)()(2 D
tItI
tItI
D
BA
BA 
I
tItI
tI IBA 1
2)()(
)(