Cern ACCELERATOR SCHOOL 2012: ELECTRON CYCLOTRON

ROSCOFF 2013
LES SOURCES D'IONS ECR SUPRACONDUCTRICES DE 3ÈME
GÉNÉRATION: TECHNOLOGIE, PERFORMANCES ET
LIMITATIONS
T. Thuillier, LPSC, Journées Accélérateurs, Roscoff, 14 Octobre 2013
SOMMAIRE
• INTRODUCTION AUX SOURCES ECR
• LES SOURCES DE 1ère, 2ème ET 3ème GENERATION
• TECHNOLOGIE DES SOURCES DE 3ème GENERATION
• PERFORMANCES
• LIMITATIONS
• PERSPECTIVE FRANCAISE
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INTRODUCTION AUX SOURCES ECR
Les ingrédients d’une source ECR d’ions multichargés
Une bouteille magnétique
(minimum-B) pour confiner
les particules chargées
par effet miroir magnétique
Une injection d’atomes
(gaz ou vapeurs
métalliques)
Un vide secondaire 10-5-10-8 mbar
(minimiser l’échange de charge)
Une cavité métallique
cylindrique
(multimode en RF)
Iso-B
vide
Atomes
Champ
électrique
Puissance
RF
Une injection de
puissance microonde
1-10 kW
𝜔𝑅𝐹
= 14 − 28 𝐺𝐻𝑧
Faisceau d’ions Extrait
Lignes
de champ
2𝜋
Une surface fermée où
𝑞𝐵
𝜔𝑅𝐹 = 𝜔𝑐𝑒 =
𝑚
Condition de
RESONANCE ECR
Génération d’un plasma
Stable d’électrons
chauds et d’ions
multichargés froids
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Un champ électrique
accélérateur pour extraire le
faisceau d’ions
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INTRODUCTION AUX SOURCES ECR
Confinement magnétique d’une source ECR
• Le champ magnétique est la superposition d’un miroir
magnétique axial et d’un champ radial hexapolaire
• La surface ECR (|B|=BECR) est fermée
Axial Mirror
BECR
Bz
Champ hexapolaire
BECR
|B|(x,z)
z
Source LBNL
qBECR
ω = ωce =
m
Iignes Iso-B
Source RIKEN, Nakagawa
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Source D. Xie
z
2r
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SOURCE DE 1ERE GENERATION
La première Source d’ion ECR: SUPERMAFIOS 1975
• Inventée au CEA Grenoble par l’équipe de R. Geller
R. Geller
• une machine de fusion
de 3 MW modifiée pour
produire des faisceaux
d’ions (CIRCE)
Bernard
Jacquot
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• La légende dit qu’à
l’allumage de la
machine, la moitié de
la ville de Grenoble a
été plongée dans le
noir
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SOURCE DE 1ERE GENERATION
SUPERMAFIOS: source de 1ère génération
• 2 étages de plasma
• étage 1: 16 GHz axi-symétrique ions 1+
• Étage 2: minimum-B à 8 GHz  ions
multichargés
• Faisceaux typique de la 1ère génération:
• ~100 µA Ar8+
• ~100 µA O6+
• Une dizaine de sources ont été
développées dans le monde
• LBL-ECR encore en opération au LBNL (CA,
USA)
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SOURCE DE 2EME GENERATION
Source de 2ème génération: exemple d’ECR4 au GANIL(1989)
• Des dizaines en opération dans le monde
• 1er étage plasma supprimé
• Hexapole aimant permanent
• Injection RF coaxiale
• Piston d’accord
• fECR=14.5 GHz
• Faisceau typique:
• ~650 µA Ar8+
• ~800 µA O6+
• Volume chambre:
V~0.5 l
• Ø64 mmL200 mm
• Champ magnétique à la paroi ~1 T
400 mm
1.04 T
0.8 T
BECR~0.5 T
0.35 T
FeNdB hexapole
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Axial Magnetic field lines (ECR4M)
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SOURCE DE 3EME GENERATION
Source de 3ème génération (3G) fECR=24 - 28 GHz
• 4 en opération:
, 4 en projet:
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𝑰~𝒏𝒆~𝒇𝟐 𝑬𝑪𝑹
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SOURCE DE 3EME GENERATION
Les sources 3G existantes
SECRAL, Lanzhou, Chine
RIKEN SC ECRIS,Japon
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VENUS, LBL, USA
SUSI, MSU, USA
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SOURCE DE 3EME GENERATION: TECHNOLOGIE
Source 3G: exemple de VENUS (LBNL)
•
•
•
•
Démarrage projet 1998 -> 1er plasma 2002
Aimant supraconducteur: hexapole et solénoïdes
Champ magnétique à la paroi ~2T
Volume Chambre V~8 l
• Ø140 mm x 500 mm
• fECR=18+28 GHz
• Cryogénie LHe + LN
4T
3T
2.2 T à Ø=140 mm
500 mm
0.4T
Profil axial
Profil magnétique radial le long
de l’axe de la source à R=7 cm
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SOURCE DE 3EME GENERATION: TECHNOLOGIE
VENUS: cryostat et masse froide
Power Feed through (1 out of 8)
Tourelle de service
LN Reservoir
(70 K)
LHe (upper cryostat)
Reservoir (4.2 K)
Vacuum
Feed throughs
Warm Bore
Plasma Chamber
Cryocooler
Flange
(4)
HTC Leads
8leads
50 K
Shield
Vacuum
Vessel
Cryostat
77K LN pour thermaliser les 8 amenées
De courant (70 W)
Iron Yoke
Circuit Fermé: He recyclé par recondensation des
vapeurs vers le réservoir de LHe
Links
Ecran thermique à 50 K alimenté par le 1et étage
Des cryocoolers
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SOURCE DE 3EME GENERATION: PERFORMANCES
Performance des sources ECR en Argon
12
11
4+
O
10
800
Analyzed Current [eµA]
Ion beam intensity (eµA)
1000
G1 ECRIS!
100
meilleure G2 aimants
chauds à 18 GHz (GTS)
10
SuSI_18GHz
SECRAL_18GHz
VENUS_28GHz
SECRAL_24GHz
GTS_18GHz
1
9
600
400
6+
O
15
10
12
14
16
Source: G.Machicoane, MSU/NSCL,ICIS’11,
modified
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7
6
3+
O
18
Charge State
2+
O
200
0
8
8
14
16
0.1
Argon
13
Sources supra
De large volume
ECRIS - G3
2
O
3
5+
4
5
6
7
8
9
Mass to Charge
12
SOURCE DE 3EME GENERATION: PERFORMANCES
Performance en uranium (test VENUS LBNL+MSU)
500
U33+
O3+
450
• Spectre impressionant!
O2+
U34+
• Four 2000°C avec un creuset en Rhenium
Current (emA)
400
• Consommation U ~9 mg/h
U35+
350
• 2 kW 18 GHz+6.5 kW 28 GHz
300
• VENUS réglée à fond
250
• transmission LEBT limitée à 22 kV
200
150
• drain HV 9 mA, CF tot~5mA
100
• Pas de limitation du côté source, qui répond à
la HF et à la température four
50
0
5
6
7
M/Q
8
9
• Emittance compatible avec les spécif. de FRIB
H
Valide l’operation de FRIB
avec 220 µA U33+ + 220 µA U34+
V
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SOURCE DE 3EME GENERATION: PERFORMANCES
Résumé des perfomances de VENUS (référence)
High Intensity or High Charge State Beams
Beam Current
Method
4He1+
20000eµA
gas
4He2+
11000eµA
gas
16O6+
3000eµA
gas
16O7+
925eµA
gas
40Ar12+
860eµA
gas
40Ar16+
133eµA
gas
40Ca11+
400eµA
LoT Oven
124Xe26+
432eµA
gas
124Xe30+
211eµA
gas
124Xe42+
1eµA
gas
138U33+
450eµA
HiT Oven
138U50+
13eµA
HiT Oven
209Bi31+
300eµA
HiT Oven
209Bi50+
5.3eµA
HiT Oven
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SOURCE DE 3EME GENERATION: DISCUSSION
Effet de fréquence ou effet de volume?
• Loi d’échelle (Geller 1988): Plus on augmente la fréquence, plus le
courant d’ions extrait augmente
• Densité plasma 𝑛~𝑓 2 𝐸𝐶𝑅
• Courant d’ions 𝐼~𝑛~𝑓 2 𝐸𝐶𝑅
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SOURCE DE 3EME GENERATION: LIMITATIONS
Perforation chambre à plasma
• Phénomène observé dans tous les laboratoires
• A forte puissance
• P>2-7 kW selon dimension chambre à plasma, et
pression de fonctionnement
• Les électrons chauds fuient prioritairement là où
le champ magnétique est minimum
• A la paroi en général
• Densité de puissance locale >1~5 MW/m2
Trou dans la chambre à plasmas de VENUS
• L’eau se vaporise localement dans le circuit de
refroidissement (malgré 15 bars/ 8-15 l/min)
• La température de paroi monte au dessus de 100°C
• Sur VENUS Température aluminium> 280°C =>
recristallisation observée
• Formation progressive d’un cratère puis d’un canal poreux
=> fuite d’eau
• On se rapproche doucement des soucis des
Tokamaks…
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Recristalisation Alu chambre interne VENUS
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SOURCE DE 3EME GENERATION: LIMITATIONS
« Cuisson » de l’isolant haute tension
• Les électrons chauds génèrent un énorme flux de RX radial
• Cuisson lente de L’isolant HT
• Ambiance autour de la source: 0.1-100 mSv/h !!
• La source est activement blindée
• La source est en zone d’accès contrôlé
• La couleur de la zone dépend de la puissance HF injectée…
Chambre à plasma VENUS
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Isolant HT (mylar) endommagé
VENUS
SOURCE DE 3EME GENERATION: LIMITATIONS
Atténuation des RX par une feuille en Ta
• Les RX sont atténués par une feuille en Ta de 2mm d’ épaisseur enroulée autour de la chambre à
plasma
• Le flux de RX est diminué d’un facteur de 5 to 10
• La puissance des RX arrêté est ~50%
• Ca n’empêche pas l’isolant de continuer à cuire sur un temps plus long…
10
10
5
without
shield
4
Counts
2mm Tantalum
X-ray Shield
10
3
10
2
10
4
6
with
shield
1000
100
Integral 3.5 10
10
5
1.5mm Ta xray
xray
Integral 3.5 10
HV
Insulator
10
5
1
10
Water Cooling Grooves
at the plasma Flutes
0
10
-200
0
1
200 400 600 800 1000 1200 1400
Energy [keV]
Chambre Plasma Aluminium
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SOURCE DE 3EME GENERATION: LIMITATIONS
RX: Echauffement de la masse froide
• Le blindage en Ta n’arrête pas les RX de haute énergie
• Une majeure partie du flux de RX restant est efficacement stoppée dans l’épaisseur de la masse
froide
(Fe, Cu,Nb,Ti,Al…)
• Un échauffement non négligeable est observé, qui dépend de Bmin (épaisseur surface résonance ECR)
• 1 W/kW à 28 GHz
• 0.2 W/kW à 18 GHz
Secral
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Secral
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SOURCE DE 3EME GENERATION: LIMITATIONS
Charge d’espace et émittance
• Les intensités sortie source peuvent atteindre 10-20 mA
• Extraction et Transport de dizaines de faisceaux mélangés en régime de
charge d’espace qui arrosent le tube faisceau
• Nécessité absolue d’une LEBT surdimensionnée (type Spiral2)
• La pression résiduelle doit être basse pour limiter l’échange de charge
• 10-8 mbar
• Emittance : la composante magnétique augmente avec la fréquence
ECR (fECR~BECR)
′
𝟏
• 𝜺𝑩 𝒙𝒙 −𝒓𝒎𝒔−𝒏𝒐𝒓𝒎 = 𝟎. 𝟎𝟑𝟐𝒓𝟐 𝑩 𝑴
𝑸
• 𝐵 champ magnétique à l’électrode plasma, r rayon électrode (mm) , 𝑀
charge
𝑄
masse sur
• La plupart des « cartons » des sources supra sont INUTILISABLES
avec leurs accélérateurs dimensionnés pour les sources G2
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PERPECTIVE FRANCAISE
Perspective pour Spiral2
• Nouvelle priorité à la physique des
ions stables sur Spiral2
• La collaboration S3 attend de très hautes
intensités de faisceaux d’ions
multichargés (Q/A=1/3) pour être au
meilleur niveau mondial en physique des
ions lourds
• La source de démarrage, (PHOENIXV2, une « G2 » performante), répond
partiellement aux besoins
• Nécessité d’utiliser une source d’ions
G3 supraconductrice pour produire
les faisceaux attendus
• Non financée à ce jour
• Projet de collaboration LPSC-IRFUGANIL-IPNL en cours de discussion
• pour développer la première source supra
G3 en europe sur la période 2015-2020
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MERCI POUR VOTRE ATTENTION !
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