Prospectives sources d’ions - Institut national de physique nucléaire et de ... · 2017-06-09 · Prospectives sources d’ions ‐ 21 juin 2017 2 ( é Ðé Ô 10 810 9 ;, le temps

Prospectives sources d’ions

Conseil Scientifique LPSC, 21 juin 2017

Auteurs :

J. Angot, M. Baylac, T. Lamy, T. Thuillier

Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie

53 avenue des martyrs

38026 Grenoble cedex, France

Table des matières Introduction ............................................................................................................................................. 1

1. Contexte .............................................................................................................................................. 1

1.1 Physique des sources d'ions ECR ................................................................................................... 1

1.2 Historique, équipe et activités en cours ........................................................................................ 2

1.3 Structuration scientifique et technique ........................................................................................ 3

2. R&D Existante et perspectives ............................................................................................................ 4

2.1 R&D faisceaux d'ions multichargés : projet SPIRAL2 ..................................................................... 4

2.2 R&D booster de charge ................................................................................................................. 5

2.3 Projet METIS (Metal EvaporaTion Ion Source) .............................................................................. 6

2.4 R&D sources compactes ................................................................................................................ 7

2.5 R&D haute fréquence (60 GHz) ..................................................................................................... 8

3. Projets du futurs .................................................................................................................................. 9

3.1 Source A/Q=6‐7 pour SPIRAL2 (phase 1++) ................................................................................... 9

3.2 Prospectives de modélisation et simulation du plasma ECR ......................................................... 9

3.3 Futur du projet 60 GHz ................................................................................................................ 10

3.4 Source d’ions ECR compacte à 47 GHz pour cyclotron médical .................................................. 10

3.5 Source d’ions theta‐pinch............................................................................................................ 11

3.6 Propulseur ionique à 1er étage ECR ............................................................................................. 11

3.7 Concept d’accélération ECRIPAC ................................................................................................. 12

Annexe 1 : Structure magnétique d'une source d'ions ECR multichargés ............................................... i

Annexe 2 : Publications et références ...................................................................................................... ii

Liste des références dans le texte ........................................................................................................ ii

Liste des publications de l'équipe par thématique .............................................................................. ii

Publications R&D Ions lourds ........................................................................................................... ii

Publications R&D 60 GHz ................................................................................................................. iii

Publications R&D Booster ............................................................................................................... iv

Publications R&D Sources compactes ............................................................................................. iv

Prospectives sources d’ions ‐ 21 juin 2017


1

Introduction Ce rapport présente les prospectives de recherche de l'équipe sources d'ions du pôle accélérateurs et

sources d'ions du LPSC en préparation du conseil scientifique LPSC du 21 juin 2017. Le document est

articulé en trois parties.

Le contexte de l'activité de recherche est présenté dans un premier temps. Après une introduction à

la physique des sources d'ions ECR, l'équipe est présentée, ainsi que l'historique de son activité de

l'année 2000 jusqu'à aujourd'hui. Les thématiques d'activités de recherche, développées dans la suite

du document, y sont synthétisées et justifiées. Les informations générales sur les projets,

collaborations, budgets et ressources sont également résumées.

Dans la seconde partie, les projets de R&D en cours sont présentés ainsi que leurs perspectives à

moyen terme quand elles ont déjà été définies.

La troisième partie présente les prospectives de l'activité de recherche sur les sources d'ions. Une

vision à long terme des projets en cours est proposée, ainsi qu'un ensemble de projets de recherche

présentés pour leur intérêt et leur potentiel d'innovation pour le futur. La liste des publications

associées aux thématiques en cours est proposée dans l'annexe 2.

1. Contexte L’équipe source d’ions du pôle accélérateur et source d’ions du LPSC est spécialisée dans la recherche

et le développement de sources d’ions à la résonance cyclotronique électronique (ECR). Depuis leur

invention au CEA Grenoble par R. Geller, une expertise internationalement reconnue est maintenue

dans le domaine : d’abord au CEA puis au LPSC depuis environ 20 ans. Les sources ECR, grâce à leur

efficacité, leur robustesse et simplicité d'utilisation, ont diffusé de par le monde et sont aujourd’hui

utilisées sur la quasi‐totalité des machines de recherche en physique des ions lourds. Des applications

industrielles et sociétales existent également : hadronthérapie, tribologie, pulvérisation, implantation

ionique, FIB…

Dans cette partie, après une introduction à la physique des sources d'ions, l'équipe, son historique et

les activités en cours sont présentées.

1.1 Physique des sources d'ions ECR

Dans une source d'ions multichargés à la résonance électronique cyclotronique, les ions sont produits dans une chambre à plasma placée sous vide (voir la figure 1). Le plasma est confiné dans une bouteille magnétique composée de la superposition d’un champ magnétique axial et d’un champ magnétique radial hexapolaire (voir annexe 1). Le plasma est crée et entretenu par une micro‐onde de fréquence qui transfère son énergie à la population d'électrons du plasma par le mécanisme de la résonance

cyclotronique électronique lorsque, localement, l’égalité suivante est vérifiée :

2 / où , sont respectivement l’intensité locale du champ magnétique, le facteur de Lorentz et la masse des électrons au repos. Les électrons sont réfléchis par effet miroir et atteignent des énergies cinétiques de l'ordre du keV, ce qui rend possible la multi‐ionisation des ions par impact électronique. Un champ électrique est établi face au trou d'extraction du plasma: les ions sont accélérés pour former un faisceau d'ions. Le plasma ECR est hors équilibre thermodynamique: il est composé d'ions froids ( ~1 ) et d'électrons chauds. La distribution en énergie des électrons est quantitativement mal connue à ce jour. Il est acquis que la distribution est non‐maxwellienne, non‐isotrope et composée i) d'une population d'électrons froids, fraichement créés par les ionisations et les interactions plasma‐paroi ii) d'une population d'électrons "tièdes" de quelques keV assurant l'ionisation et iii) d'une composante d'électrons chauds relativistes qui interagissent peu avec le plasma mais limitent les performances. Les énormes différences de vitesse entre les ions et les électrons


2

( 10 10 , le temps de giration magnétique infinitésimal des électrons ( ~10 100 , la

longueur de Debye ~10‐100 µm et le temps de confinement du plasma de l'ordre de 1 à 10 ms, rendent l'étude du plasma par simulation extrêmement complexe si l'on veut aborder le problème dans sa globalité.

Figure 1 : schéma de principe incluant les paramètres contrôlant le fonctionnement d’une source ECR.

À ce jour, un grand savoir‐faire empirique existe pour concevoir et estimer par avance les performances d'une source d'ions ECR. L'équipe du LPSC a dans ce domaine une expertise reconnue. En revanche, il n'existe pas de modèle prédictif complet permettant de rendre compte de la complexité de la physique du plasma ECR des sources d'ions. Il existe un fort potentiel de recherche dans ce domaine. Une propriété remarquable du mécanisme ECR est qu'il n'a pas de limite théorique connue : il est possible d'augmenter les intensités de faisceaux d'ions extraits du plasma en augmentant la fréquence de la micro‐onde . Si et sont respectivement la densité du plasma et le champ magnétique assurant la condition de résonance, on a :

∝ ∝ ∝

On voit que, moyennant une augmentation du champ magnétique, on peut améliorer considérablement les intensités d'ions. Il s'agit des lois d'échelles établies par R. Geller [1]. Un intérêt de recherche existe pour étudier et in fine utiliser les plasmas ECR à très haute fréquence. Enfin, il faut souligner que l'étude des sources d'ions ECR nécessite des lignes de transport et d'analyse de basse énergie dont la disponibilité et la qualité sont primordiales au succès des projets. Notre équipe s'appuie ainsi sur 3 lignes d'analyse basse énergie au LPSC et une zone expérimentale située dans les locaux du Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses au CNRS‐Grenoble (LNCMI).

1.2 Historique, équipe et activités en cours

L’équipe s’est formée en 1997, lors de la fermeture du complexe de cyclotrons SARA du LPSC. Les

activités historiques du groupe se déclinent sur les axes suivants (voir la table 1 pour la chronologie) :

la R&D sur les boosters de charge (inventés au LPSC en 1992 dans le cadre du projet PIAFE)

utilisés dans la chaine d'accélération des faisceaux d'ions radioactifs (TRIUMF, SPIRAL1, SPES),

la R&D sur les faisceaux d’ions multichargés dédiés aux accélérateurs d’ions lourds (ions plomb

CERN, SPIRAL2),

La R&D expérimentale amont sur les sources d'ions à très haute fréquence 60 GHz, unique au

monde,

La R&D sur les sources compactes,

Les études de la physique du plasma ECR par simulation (depuis fin 2016).

Table 1 : Historique des projets de l’équipe source d’ions

L’activité scientifique de l’équipe source est actuellement portée par : J. Angot (IR2, pour 100% de son

temps de travail), T. Lamy (IRHC, 10%), T. Thuillier (IR1, 100%), complété d’un doctorant A. Leduc

(100%). Les ressources humaines, les budgets, les projets en cours sont résumés dans la Table 2.


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L'activité sources d'ions nécessite de nombreux développements mécaniques et électroniques qui

impliquent environ 0.5 ETP par an au service de mécanique et 0.5 ETP par an répartis sur les services

d'électronique et de "détecteur et instrumentation". L'activité globale de recherche requiert l’activité

de 2 AI pôle gérant les expériences, chacun à temps plein. Un support de montage et de petit usinage

est également nécessaire, ce qui représente 1 ETP en moyenne par année.

Table 2: Bilan des activités de R&D de l'équipe sur les projets en cours. Légende: JA= Julien Angot, TL=Thierry Lamy, JJ=Josua Jacob, PS=Patrick Sole, TT=Thomas Thuillier, LB=Laurent Bonny, AL=Alexandre Leduc

Projet Coordination

Période Budget Ressource pole Collaboration Autre Ressource LPSC

R&D PHOENIX V3

TT 2011‐2017

180 k€ CRISP (EU) + 10 k€ SPIRAL2

4 ETP (IR TT) 2 ETP (AI JJ) 0.5 ETP (T LB)

GANIL, IPNL, SPIRAL2

0.6 ETP IE CAO mécanique 0.1 ETP instrumentation 0.5 ETP T usinage 0.4 ETP T câbleur 0.05 IE méca calcul

R&D METIS Estimation

TT 2016‐2019

60 k€ IN2P3 60 k€ GANIL/Région IN2P3: 20 k€→GANIL

3 ETP (Doc. AL) 0.5 ETP (IR TT) 0.2 ETP (AI PS)

GANIL 0.2 ETP usinage 0.1 ETP CAO

R&D sources compactes

JA 2011‐2017

50 k€ EMILIE/IN2P3 POLE 10 k€

1.5 ETP (IR JA) 5 ETP (AI PS) 0.05 ETP (IR TT) 0.1 ETP (AI JJ)

EMILIE (GANIL, SPES, JYFL…) Valorisation IPNL

0.6 ETP usinage 0.05 IE méca calculs

R&D Booster JA 2012‐2017

34 k€ EMILIE/IN2P3 POLE 45 k€

4.5 ETP (IR JA) 0.1 ETP (IR TL) 0.1 ETP (IR TT) 0.5 ETP (AI PS)

EMILIE (GANIL, SPES, JYFL…)

Contrat SPES (booster)

JA 2015‐2016

500 k€ SPES/LNL 1 ETP (IR JA) 0.1 ETP (IR TL) 0.05 ETP (AI PS) 0.1 ETP (AI JJ)

1 ETP AI CAO mécanique 0.15 T câbleur 0.1 ETP AI admin

R&D 60 GHz TL 2006‐2017

EURISOL‐DS : 265 k€ IN2P3: 55k€ EURO‐NU: 140 k€ ISTC: 225 k€ CNRS+460 k€ EU UGA‐EMERGENCE: 30 k€ + 1/2 bourse thèse

De 0.2 à 2 ETP selon les années (TL, JA, TT, PS) (Dont 4 ETP Post‐Doc au total)

LNCMI JYFL IAP‐RAS (russie)

De 0.1 à 1 ETP selon les années (conception, calculs, usinage, montage)

1.3 Structuration scientifique et technique

L’activité de l’équipe s’articule autour de 5 thématiques présentées ci‐dessous.

L'objectif prioritaire du groupe est de répondre aux besoins exprimés par les physiciens nucléaires en France et en Europe en termes de faisceaux d'ions stables et radioactifs et de relever les défis de conception des accélérateurs de nouvelle génération. Ainsi, l’équipe soutient l'effort national de construction de l'accélérateur SPIRAL2. Ceci aussi bien pour les faisceaux d'ions stables (SPIRAL2 phase 1) que radioactifs (SPIRAL2 phase 2, activité gelée depuis 2013).

Un deuxième objectif est d'étudier la physique du plasma ECR d'une part en faisant des expériences sur des sources d'ions existantes dans le cadre de nos collaborations; et d'autre part en améliorant les modèles du plasma ECR et en les testant avec des codes de simulation de type Particle In Cell ou Monte Carlo.

Un troisième axe est de pérenniser la collaboration internationale (LNCMI, JYFL, IAP RAS) sur les activités liées au projet 60 GHz afin i) de concevoir une source d'ions multichargés à très haute fréquence, au‐delà de tout le savoir mondial dans le domaine ii) d’étudier le plasma ECR formé iii) de développer une ligne de transport basse énergie (LBE) de haute efficacité capable de transmettre des intensités de l'ordre de plusieurs centaines de mA iv) potentiellement d'étudier au sein du pôle le phénomène de compensation de charge d'espace du faisceau très intense dans cette LBE du futur.

Le quatrième axe consiste à améliorer la technique d’amplification d’état de charge, ou charge breeding ECR, en collaboration avec les accélérateurs européens utilisateurs (GANIL, SPES). Comme il est expliqué plus loin, le point faible de la méthode est la contamination des faisceaux d’ions N+ créés


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dans le booster par des espèces chimiques co‐ionisées dans la source d’ions. L’équipe a la conviction que des réductions substantielles des contaminants peuvent être atteintes (facteur 10 à 100) moyennant un programme de R&D dédié. D’autres possibilités d'amélioration reposent sur l'augmentation de l’efficacité ainsi que de l'état de charge des ions N+ permettant d'augmenter l'énergie finale des ions radioactifs.

Une 5ème thématique est la R&D sur les sources compactes. Le développement de ces sources de faible coût a ouvert la voie à de nombreuses applications industrielles. Le porteur de cette activité (P. Sortais) a créé la startup Polygon Physics, fin 2014 et a été mis à disposition par le CNRS. T. Lamy est co‐fondateur et conseiller scientifique à 10% de son temps. Un créneau de R&D existe pour des sources simples, économiques, capables de produire plusieurs mA de protons avec une puissance HF inférieure à 200 W. Le plan de développement en cours sur cette activité s'étend jusqu'en 2018.

2. R&D Existante et perspectives Dans cette partie, les activités en cours sont présentées avec leurs perspectives à moyen terme comme

définies à ce jour. Les prospectives à long terme de certains de ces projets sont présentées dans la

partie 3.

Figure 2: vue en coupe de PHOENIX V3. Noter le caisson ultravide à l'arrière de V3 qui permet de baisser la pression dans la source et améliorer l'état de charge du plasma.

Table 3: performances des sources PHOENIX V2 et V3 et d'une future source A/Q=6‐7

2.1 R&D faisceaux d'ions multichargés : projet SPIRAL2

La R&D sur les faisceaux d'ions multichargés est motivée par le besoin exprimé du projet SPIRAL2, à savoir des faisceaux d'ions d'intensité la plus élevée possible avec le rapport masse sur charge A/Q=3 jusqu'à la masse A=40. Impliqué depuis 2004, le LPSC a fourni une source de démarrage (source PHOENIX V2 18 GHz, bobines chaudes, amélioration d'une version antérieure V1) à faible coût pour l'injecteur d'ions lourds de SPIRAL2 du GANIL (Grand Accélérateur National d'Ions Lourds) avec le rapport masse sur charge A/Q=3. Cette source, complétée de sa LBE, a été qualifiée au LPSC sur la période 2009‐2012 en collaboration avec de nombreux laboratoires partenaires du projet : CEA/IRFU, IPNL, IPNO, IPHC, GANIL. L'ensemble a ensuite été installé dans le bâtiment accélérateur SPIRAL2 en 2014. Le premier faisceau d'ions à la haute tension nominale de 60 kV a été fourni à l'accélérateur en 2015 par PHOENIX V2, seule source au monde à fonctionner à cette tension d'accélération sans plateforme HT. Les améliorations menées sur la source V2 ont permis d'augmenter substantiellement ses performances par rapport à la V1 (+40 % d'intensité d'O6+ par exemple, voir Table 3). En 2011, le projet européen CRISP a apporté un budget de 180 k€ à l'activité source d'ions afin d'améliorer les intensités d'ions A/Q=3 jusqu'à la masse 60. Une 3ème version de source a été conçue et développée dans cet objectif (Figure 2) en s'efforçant de conserver le maximum de matériel compatible avec la version précédente, déjà en fonctionnement au GANIL. Le premier plasma de cette nouvelle source a été réalisé en mai 2016. Actuellement en qualification au LPSC, les améliorations attendues se sont concrétisées avec une augmentation de 120% de l'intensité de faisceau d'ions 40Ar14+. Ce résultat a été salué par la direction du projet et de l'IN2P3. Le programme de caractérisation et d'optimisation de V3


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continuera jusqu'au printemps 2018 avec l'étude de production d'ions métalliques de calcium et nickel. La source sera ensuite transférée au GANIL pour son installation finale sur l'injecteur A/Q=3 en 2018. Les prospectives de cette activité sont présentées dans la partie 3.

2.2 R&D booster de charge

Le booster, ou amplificateur d’état de charge, ECR est une source d’ions multichargés modifiée pour

accepter à l’injection non seulement un flux d’atomes, mais aussi un faisceau d’ions 1+ qui est décéléré,

ralenti par interaction coulombienne et capturé par le plasma. Les ions sont ensuite multi ionisés avant

d’être extraits avec un état de charge N+ (voir figure 3). Le booster de charge est un maillon important

du schéma de production de faisceaux d’ions radioactifs de la méthode ISOL (Isotope Separation

Online), présenté sur la figure 4. Le LPSC a été un pionnier de cette activité et a développé les outils

d’analyse permettant de qualifier les performances de la méthode. Le booster PHOENIX, développé en

2000, a été réalisé en 3 exemplaires : deux fournis par la société Pantechnik (TRIUMF‐Canada et GANIL

sur l'upgrade SPIRAL1 après des expériences au CERN‐ISOLDE) et un dernier réalisé récemment par

l'équipe du LPSC pour le projet SPES de l'INFN au LNL en Italie. La technique d’amplification d’état de

charge offre les avantages suivants : i) injection et extraction continue d’ions ii) capacité d’injection de

faisceau d’ions d'intensité élevée (jusqu’à ~10 µA) iii) bonne efficacité de la méthode (jusqu’à 20% sur

un état de charge) iv) bonne acceptance des faisceaux injectés. Le point faible du booster repose dans

le fait que le plasma ECR ionise efficacement tout ce qui le traverse et de nombreux éléments

chimiques parasites sont co‐extraits, qui proviennent i) du gaz résiduel ii) des parois de la chambre à

plasma dont les constituants sont éjectés par pulvérisation. Afin de pallier cette contamination des

faisceaux, le schéma accélérateur de l’installation ISOL doit comporter un séparateur en masse à fort

pouvoir de résolution ( ~1000 10000) : c’est le cas à SPIRAL1 avec le cyclotron CIME ou bien à

SPES avec un spectromètre de haute résolution. Le booster ECR est en compétition avec les boosters

de type EBIS (Electron Beam Ion Source) où un pulse de faisceau d’ions 1+ de très faible émittance est

injecté dans un piège traversé par un fort courant d’électrons énergétiques. Les avantages du booster

EBIS reposent sur les faits suivants i) bonne efficacité globale (20% sur un état de charge) ii) très haute

charge possible iii) faible contamination des faisceaux N+ extraits grâce à un vide résiduel plus faible

et à l’absence d’interaction du plasma avec les parois. Les inconvénients du booster EBIS sont i) la

limitation en nombre d’ions piégeables dans la source (~1 nA) ii) la nécessité de compléter la source

avec un piège de Paul pour refroidir et "buncher" les ions 1+ et permettre leur injection dans l’EBIS iii)

La source ne fonctionne pas naturellement en mode continu. Les deux techniques, comparées au

CERN[2,3], apparaissent complémentaires.

Figure 3: décélération et capture des ions dans un booster de charge ECR. Figure 4: Schéma de principe de la méthode ISOL


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La méthode de booster ECR 1+N+ apparait comme une méthode puissante d’étude du plasma ECR. En

effet, les interactions du faisceau 1+ avec le plasma permettent de mesurer des grandeurs physiques

et d’étudier les processus microscopiques mis en jeu : densité du plasma, température des ions,

collisions coulombiennes, échange de charge, impact électronique… Ces dernières années, plusieurs

études menées au LPSC, dans le cadre de collaborations internationales, ont débouché sur des

publications améliorant la compréhension du plasma ECR (voir liste de publications en annexe).

Récemment, nous avons mis en évidence un certain nombre de mécanismes menant aux instabilités

des plasmas ECR et entrainant une importante augmentation du taux de contaminants dans un plasma

ECR instable.

L’équipe tient à souligner le potentiel de développement important existant avec le booster ECR en ce

qui concerne la réduction de la contamination des faisceaux extraits et l’augmentation de l’état de

charge N+. Auprès de SPIRAL1, le cyclotron CIME peut accélérer des ions jusqu’au rapport de A/Q=3 et

produire ainsi des faisceaux d’ions radioactifs accélérés jusqu’à 20 MeV/A, ce qui sera unique au

monde. Aujourd’hui, le booster PHOENIX produit des ions avec A/Q~4‐6. L’équipe du LPSC a donc défini

pour les années à venir un programme de recherche portant sur l’étude de la réduction des

contaminants et l’augmentation de l’état de charge du plasma ECR afin de répondre à la demande de

la communauté.

Une collaboration avec SPES est en cours de signature pour étudier le taux de contaminants en

fonction du matériau utilisé pour la chambre à plasma et des types de nettoyages ultravides utilisés

(tests de plusieurs chambres à plasma et de chemisage froids ou chauds).

Le budget alloué dans le cadre de la collaboration NUPNET‐EMILIE (Enhanced Multi‐Ionization of short‐

Lived Isotopes at EURISOL, 2012‐2017), a permis de concevoir une version améliorée du booster en

minimisant les investissements. La nouvelle version du booster aura un diamètre de chambre à plasma

étendu de 70 à 100 mm, ce qui i) améliorera le confinement des ions et ainsi l’état de charge N+

maximum admissible et ii) réduira le taux de contaminants venant des parois par réduction du rapport

surface/volume. Une amélioration du niveau de vide de la ligne d’analyse 1+N+ est aussi à l’étude afin

d’atteindre un vide résiduel de 10‐9 ‐ 10‐8 mbar (au lieu de 4.10‐7 mbar), ce qui réduira les taux

d’impureté venant du gaz résiduel dans la source d’ions.

Projet collaboration SPES étude des contaminants: coût complet 210 k€, 0.5 ETP sur 3 ans.

Projet amélioration booster : 34 k€ financé par EMILIE, 1 ETP sur 2018‐2020.

2.3 Projet METIS (Metal EvaporaTion Ion Source)

Cette activité a débuté en 2017 à l'initiative du LPSC, avec le recrutement d'un doctorant en collaboration avec le GANIL (financement IN2P3‐ région Normandie). La problématique concerne l'efficacité de production de faisceaux d'ions métalliques dans les sources ECR. Avec un four évaporant des atomes métalliques vers le plasma ECR, il est observé une efficacité de conversion de ~10‐20% (rapport atomes émis/ions extraits). Compte tenu du fait que le coût des métaux isotopiques comme le 48Ca avoisine 260 k€ le gramme, il est légitime de chercher à améliorer ce rendement. Le sujet de thèse prévoit la réalisation d'un cylindre chauffant thermo‐régulé en tantale installé dans la chambre à plasma de la source d'ions PHOENIX V3 dans le but de contrôler la ré‐évaporation des atomes métalliques et d'améliorer l'efficacité de conversion atome/ion (60% de rendement espéré). La deuxième partie de la thèse consiste à modéliser le four délivrant la vapeur métallique ainsi que le plasma ECR avec un code PIC à collisionneur Monte Carlo simulant le comportement des ions (en 3D) et des électrons (modèle 0D). Outre les bénéfices d'efficacité d'ionisation en opération, la comparaison simulation/expérience apportera des mesures du temps de collage (inconnu) du calcium sur le tantale, et permettra de tester des modèles de confinement des ions dans le plasma. Après la thèse, le sujet continuera avec l’amélioration du modèle PIC en comparant les résultats avec des campagnes de mesures expérimentales. Il est envisagé de faire monter en puissance cette activité car elle est d'une


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portée scientifique forte (il y a très peu d'études menées à l'international) et une prospective est présentée dans la partie 3.

Projet METIS: Participation RH: TT 20% ; A. Leduc 100% sur 2017‐2019. Budget: 20 k€.

2.4 R&D sources compactes

L’activité de R&D sur les sources d’ions compactes a débuté en 2007 avec la source COMIC (COmpact

MIcrowave and Coaxial) [4] fonctionnant à la fréquence ECR de 2,45 GHz à très basse puissance (<20

W) et utilisant quatre aimants permanents pour générer le champ magnétique. L’intérêt de cette

technologie est sa compacité (~10 cl) et son faible coût de revient. Cette source a fait l’objet de

plusieurs brevets et a été valorisée par la création de la startup Polygon Physics, actuellement

hébergée au LPSC. La source COMIC est utilisée pour injecter les faisceaux 1+ pour les études du

booster de charges (ions gazeux, intensités de ~10 nA à 2 µA). Entre 2011 et 2017, deux sources d’ions

compactes ont été développées dans le cadre du projet EMILIE avec pour objectifs d’étudier le

recyclage des parois des chambres à plasma en fonction de la température et de développer des

sources d’ions produisant des faisceaux d’ions métalliques faiblement chargés pour l’étude de la

capture dans le booster de charges.

La première source est une version de COMIC « chaude » dont la chambre à plasma peut être chauffée

jusqu’à 650°C. Les tests de cette source ont débuté en 2016, une première production de faisceaux

d’ions métallique est prévue en 2017.

La seconde source est appelée « SUPERCOMIC » qui fonctionne à 5,8 GHz (figure 5). La première

version a été développée pour un fonctionnement à température ambiante, comme prototype avant

une évolution vers une source chaude. Sa structure magnétique est modulaire (containers d’aimants

permanents), facilitant ses développements ultérieurs. L’ensemble de la conception a été réalisée par

l’équipe (calculs HF, magnétiques, conception mécanique). Un brevet a été déposé suite à cette R&D

en 2013. Après le premier plasma en juin 2013, la source a connu de nombreux développements visant

à augmenter les courants extraits, améliorer la qualité des faisceaux et fiabiliser la source. En 2016,

des faisceaux d’Argon de faible état de charge (1‐4) ainsi que des faisceaux d’intensité supérieure à 1

mA de proton et de deutérium ont été produits à basse puissance HF (<80W).

Figure 5: photo de la source compacte SUPERCOMIC montée sur une bride DN 200.

La source SUPERCOMIC a été valorisée à l’IN2P3 sur deux installations. D’abord au LPSC sur la

plateforme GENEPI2 de production de neutrons, en remplacement d’une source à filament de type

duo‐plasmatron (source installée en juillet 2016). Ensuite à l’IPNL sur la plateforme DIAM (Dispositif

d’Irradiations d’Agrégats Moléculaires) nécessitant une intensité de 1 mA de H+. L’équipe a collaboré

avec l’IPNL en fournissant l’ensemble des plans ainsi que la liste des équipements nécessaires.

La R&D sur les sources compactes apparait justifiée dans le contexte international à la condition de se limiter à une faible puissance micro‐onde (<200 W environ) et en cherchant à minimiser les coûts de construction et de fonctionnement. En effet, au‐delà de cette puissance, une source compacte très performante a déjà été développée [5,6]. Il existe aussi une source compacte de basse puissance au catalogue de la société Pantechnik [7]. La motivation de la R&D SUPERCOMIC est de chercher à produire 5 mA d’ions D+ à basse puissance injectée. En 2016, un plan de R&D sur 2 ans a été décidé portant sur l’amélioration des performances de SUPERCOMIC (nouveau système d’extraction des ions,


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étude d’un confinement magnétique innovant, optimisation du couplage HF). En cas de succès de cette R&D, des développements complémentaires à plus haute fréquence seraient envisagés. Un intérêt existe actuellement dans la communauté ECR sur le couplage de la micro‐onde avec le plasma ECR. La petite taille de la chambre à plasma de SUPERCOMIC rend le nombre de modes de couplage HF limité et rendrait une étude pertinente car plus simple à interpréter que dans une source d’ions multichargés à couplage HF multimode. Cette étude pourrait être menée dans le cadre d’une collaboration si un intérêt d’autres laboratoires était trouvé (GSI, LNS, LNL). En 2018, au terme de la R&D planifiée, une réflexion sera menée sur la continuation de cette activité en fonction des besoins en ressources demandées par les autres axes et les priorités sur les autres projets potentiels évoqués en 3.

Projet source compacte 2017‐2018: budget ~5 k€, 1 ETP.

2.5 R&D haute fréquence (60 GHz)

L’équipe des sources d’ions collabore depuis 1995 avec l’Institute of Applied Physics‐Russian Academy

of Sciences (IAP‐Nizhny Novgorod) sur la thématique des faisceaux d’ions pulsés intenses extraits des

plasmas entretenus par des micro‐ondes de très haute fréquence (expérience SMIS à 37,5 GHz). En

1999, le LPSC a développé la source d’ions PHOENIX 28 GHz (V1) afin de produire des faisceaux pulsés

d'ions plomb multichargés pour le LHC (600 µA Pb24+). Par la suite, le LPSC a proposé, pour le projet

Beta‐Beam, l’utilisation d’une source d’ions à 60 GHz pour délivrer des faisceaux pulsés intenses d’ions 22Ne et 6He. Un premier prototype a été conçu et réalisé à l’aide de polyhélices (figures 6 et 7), en

collaboration avec le LNCMI, dans le cadre des projets européens EURISOL‐DS et Euronu Beta‐Beams.

En parallèle, l'équipe a collaboré dans le cadre d’un projet ISTC avec l’IAP et la société GYCOM qui a

conçu et construit un gyrotron pulsé (100 µs – 1 ms, 2 Hz) délivrant 300 kW d’ondes

électromagnétiques 60 GHz. Le gyrotron a été installé fin 2012 à Grenoble, le champ magnétique de la

source permettant d’avoir une zone de résonance 60 GHz (2.14 T) quasi sphérique et n’interceptant

pas les parois de la chambre à plasma a été validé en mars 2014. Les premiers faisceaux extraits du

plasma 60 GHz ont été analysés en automne 2014, atteignant des densités de courant record de ~1

A/cm².

Figure 6 : Simulation du champ magnétique et de la température des hélices du prototype Cusp 60 GHz.

Figure 7 : Vue en coupe du prototype Cusp 60 GHz

Une collaboration a été montée avec le LNCMI, l’Université de Jyväskylä, et l’IAP‐RAS, et le soutien de

l’UGA est acquis jusqu’à fin 2020 (EMERGENCE). Une thèse en cotutelle avec JYFL débutera en octobre

2017, et un budget de 10 k€ par an est disponible pour les séjours de nos collaborateurs à Grenoble.

De même, afin de confirmer l’accès au LNCMI, un MoU devrait être discuté.

Le premier objectif est de faire une série d’expériences avec le prototype actuel modifié de telle façon

que l’aimant d’injection et celui d’extraction puissent être écartés. Une hélice neuve doit être réalisée

par le LNCMI suite à un court‐circuit induit par une pollution du circuit de refroidissement lors de la

dernière expérience. Le réglage indépendant du champ magnétique à l’injection et à l’extraction sera


9

possible grâce à l'installation d’un deuxième contacteur sur le bus de courant du LNCMI (financement

LPSC). Cette étape peut être raisonnablement atteinte courant 2018.

Expérience 60 GHz en 2018: préparation 0.1 ETP mécanique, 0.2 ETP AI source, 0.1 IR source.

3. Projets du futurs Plusieurs possibilités de développements innovants sont envisagées par l’équipe source à moyen ou

long terme, ceci en remplacement d’un projet s’arrêtant ou dans une perspective de développement

d’activité. Ces projets sont brièvement listés dans cette partie en justifiant leur intérêt physique ou

sociétal et en incluant une estimation des ressources humaines nécessaires et du coût global (hors

coût main d'œuvre). Les activités futures de l'équipe pourront être choisies parmi ces projets mais il

est clair que tous ces sujets ne pourront pas être menés en parallèle.

3.1 Source A/Q=6‐7 pour SPIRAL2 (phase 1++)

En 2013, la collaboration S3 du GANIL a étendu son besoin en ions lourds jusqu’à l’uranium. Sachant

qu’il est possible de produire des intensités importantes de faisceaux d’ions uranium avec des rapports

A/Q=6‐7, un injecteur dédié à la physique des ions lourds sera construit pour SPIRAL2 dans le cadre de

la "phase 1++". Les intensités demandées (plusieurs pµA) nécessitent la réalisation d'une source d'ions

de très hautes performances avec un plasma plus dense et de plus grand volume que les sources de la

série PHOENIX. Le LPSC, en collaboration avec le CEA/IRFU et le GANIL, projette de monter une

collaboration en vue de réaliser une telle source d'ions dont le champ magnétique sera généré par un

ensemble d'aimants supraconducteurs et dont la fréquence micro‐onde sera de 28 GHz. Une telle

source d'ions est également demandée par le GSI pour le projet FAIR. Le projet nécessitera un budget

de 1,5 à 3 M€ sur une durée d'environ 5‐6 ans. Les ressources nécessaires au LPSC concernent la

coordination (20% ETP pendant 5 ans), l'instrumentation (50% ETP pendant 3 ans), la conception

mécanique hors aimant supraconducteur (50% ETP pendant 2 ans), le montage, démontage et la

maintenance expérimentale (50% ETP pendant 2 ans) et les tests de faisceaux (100% ETP pendant 2

ans). Un tel projet aura une visibilité de premier plan à l'échelle européenne et ramènera la France au

meilleur niveau mondial du domaine (de telles sources d'ions existent déjà aux USA, en Chine, au

Japon).

3.2 Prospectives de modélisation et simulation du plasma ECR

De nombreux mécanismes restent mal compris dans les plasmas ECR et les opportunités d'études liées au développement de codes de simulation du plasma ECR sont très importantes. L'équipe a la volonté de développer une telle activité de simulation de source d'ions en tissant des collaborations avec, par exemple, le laboratoire Laplace de Toulouse. Un sujet d'intérêt de portée internationale consiste à simuler l'extraction des ions du plasma en considérant toute la physique associée. À ce jour, la forme de la gaine du plasma (le ménisque : zone de bord où le plasma n'est plus neutre) est inconnue. La dynamique des électrons chauds co‐extraits avec les ions, capables de remonter les équipotentielles de la zone d'extraction et jouant un rôle fondamental dans la formation de l'émittance du faisceau d'ions, est également mal connue et reste à être étudiée. La possibilité de comparer les résultats de la simulation avec les émittances de faisceaux d'ions expérimentales fournira des données cruciales pour contraindre les modèles et améliorer la compréhension du plasma ECR. Cette étude offre l'opportunité de synergies avec l'équipe accélérateurs du pôle qui travaille sur le phénomène de compensation de charge d'espace dans les lignes de transport de faisceaux d'ions. De plus, l'équipe de modélisation plasma du laboratoire Laplace de Toulouse, visitée récemment, a validé la possibilité de réaliser une telle simulation et est intéressée pour collaborer sur cette thématique, un cadre restant à être trouvé.

Ce travail nécessite un doctorant ou un post doctorant. La durée du projet est estimée à 3 ans environ. La puissance de calcul nécessaire peut être fournie par les fermes de calculs IN2P3.


10

3.3 Futur du projet 60 GHz

La production de faisceaux intenses en pulsé ou en continu est de première importance pour les

accélérateurs de très haute intensité de nouvelle génération. Par exemple, le ‘High‐Intensity Heavy Ion

Accelerator Facility (HIAF)’ en Chine nécessite la production de 1.7 mA d’U34+, soit un facteur 5 au‐

dessus de ce que l’on sait produire aujourd’hui dans le monde. L’augmentation de la fréquence de

chauffage des plasmas ECR est actuellement la méthode la plus efficace pour augmenter les intensités

des faisceaux extraits ainsi que leur charge moyenne. À ce jour, la fréquence la plus haute utilisée dans

les sources dotées d’une bouteille magnétique à minimum‐B est de 28 GHz. Le projet le plus ambitieux

au monde est la construction d’une source à 45 GHz en Chine, les coûts et les risques sont très élevés

(utilisation de câbles Nb3Sn). Au LPSC, nous étudions à la fois les limitations dues à la physique des

sources ECR actuelles, ainsi que le gain que l’on pourrait attendre avec la poursuite de la montée en

fréquence des sources ECR. La conception et la construction d’un prototype de source ECR 60 GHz doté

d’une bouteille magnétique à minimum‐B est notre ambition sur le long terme. Il sera nécessaire, sur

la base de la collaboration actuelle avec l’Université de Jyväskylä, l’IAP‐RAS et le LNCMI, de trouver les

ressources humaines et budgétaires permettant de satisfaire l’objectif à long terme (~600 k€, 1

postdoc, 1 doctorant). La première étape devra concerner les études du champ magnétique

hexapolaire et leur validation expérimentale. Ce futur prototype permettrait à la communauté

mondiale de mener les activités de R&D nécessaires, avec des risques techniques et financiers

maîtrisés. Il conviendra de réfléchir avec nos partenaires à la possible extension de la collaboration

hors Europe (Chine, USA). Les défis scientifiques sont nombreux aussi bien en physique des plasmas

qu’au niveau de l’extraction et du transport des faisceaux de très haute intensité. Dans le même temps,

Il conviendra aussi de construire une ligne de faisceau pérenne, adaptée au transport et à l’analyse de

faisceaux intenses pulsés. Les besoins en RH IT du LPSC concernent prioritairement la mécanique

(conception et montage) : il faudra prévoir, à minima, 6 mois de projeteur et 6 mois de monteur pour

le plan long terme, avec un démarrage possible des expériences vers 2021.

3.4 Source d’ions ECR compacte à 47 GHz pour cyclotron médical

Des échanges avec S. Meyroneinc, responsable du cyclotron du centre de protonthérapie d’Orsay ont

permis d’identifier une limitation sur les sources d’ions équipant les cyclotrons médicaux. La source

d’ions PIG (Positive Ion Gauge) utilise un filament chauffé pour entretenir le plasma permettant

d’extraire le faisceau de protons de 20 nA nécessaire pour les traitements médicaux. La source d'ions

est insérée par une canne directement au centre du cyclotron (voir la figure 8). La durée de vie du

filament est de 1 semaine environ. Les chercheurs de l’institut Curie (IC) aimeraient disposer de

faisceaux d’ions plus intenses et pulsés (étude des effets de dose dynamique sur le petit animal). Une

étude préliminaire de l’équipe du LPSC a permis de montrer la faisabilité du développement d'une

source d’ions ECR ultra‐compacte en aimants permanents et de fréquence ~47 GHz, utilisant le champ

de fond du cyclotron de 1,76 T, installée en lieu et place de la source PIG pour générer les faisceaux

d’ions demandés par les chercheurs de l’IC. Le programme envisagé est le suivant : i) conception et

construction de la source d’ions ii) conception et construction d’une enceinte à vide insérable dans un

aimant à haut champ du LNCMI pour tester le bon fonctionnement de la source d’ions iii) expérience

et variation des paramètres de réglage de la source d’ions et analyse des résultats iv) possiblement

demande de dépôt de brevet et valorisation industrielle.

Le budget de ce projet est estimé à 100 k€, un post doctorant est nécessaire pour le mener à bien sur

une durée de 3 ans. Un AI source est nécessaire à hauteur de 0.6 ETP par an et 0.4 ETP de conception

mécanique.


11

3.5 Source d’ions theta‐pinch

Les machines "theta‐pinch" ont été initialement développées pour étudier la fusion thermonucléaire

par compression magnétique (figure 9). Dans un theta‐pinch, un pulse de gaz est injecté dans un

cylindre isolant placé sous vide. Le gaz est pré‐ionisé puis comprimé magnétiquement par une variation

rapide de flux magnétique généré par une bobine pulsée. La compression importante du plasma a pour

effet d’augmenter la densité du plasma et de le chauffer. Les densités plasma expérimentales

atteignables sont dans la gamme ~10 10 cm‐3, soit de 10 à 105 fois plus élevées que dans

les sources ECR classiques existantes. Le plasma est naturellement éjecté sur l’axe de la source sous la

forme d’un pulse très intense d’une durée comprise entre 1 et 50 µs, selon la conception du système.

Le theta‐pinch a par la suite été considéré pour faire de la gravure plasma [8] et comme propulseur

ionique de vols spatiaux habités [9]. Un theta‐pinch, transformé en source d'ions a la potentialité de

fabriquer des pulses intenses d'ions dans la gamme 1‐10 A/ cm² mono ou multichargés, ce qui

déboucherait sur des schémas d'accélération innovants pour les machines synchrotron.

Le programme envisagé consiste à i) dimensionner et concevoir une source d’ions theta‐pinch

prototype ii) installer le pinch sur un banc de source existant au LPSC iii) étudier expérimentalement

les intensités émises en fonction des paramètres de la source (pression, type de gaz, haute tension,

durée du pulse sur le solénoïde, taux de répétition, contamination des faisceaux, émittance faisceau,

température du plasma, intensités et états de charges des ions…) iv) comparer les résultats avec un

code de simulation PIC à deux dimensions à développer.

Le budget global estimé est de 100 k€ sur une durée de 3 ans, les ressources humaines nécessaires

sont un post‐doctorant avec l’appui d’un AI source (0.3 ETP pendant 3 ans), d'un AI projeteur

mécanique (0.3 ETP) et d'un AI électrotechnique (0.3 ETP).

Fig. 8: Vue d'une source PIG au centre d'un cyclotron en Inde (courtoisie Mr. Deepak Aheer).

Fig. 9 : Schéma de principe d’un theta pinch (Plasmas and controlled fusion, Rose and Clark, 1961)

3.6 Propulseur ionique à 1er étage ECR

Les propulseurs ioniques à effet Hall (PI) utilisent une source d’ions pour fabriquer une poussée

permettant de repositionner les satellites en orbite terrestre. Grâce à leur excellent rendement

d’ionisation (70%), ils sont considérés comme propulseur principal sur certains projets spatiaux non

habités. Les PI, inventés par une équipe de chercheurs russes pendant la guerre froide, sont des

sources simples, robustes et extrêmement ingénieuses, dont la physique du plasma associée est

complexe. Les électrons émis par la cathode sont attirés par l’anode, et dérivent dans le champ

magnétique annulaire radial du propulseur (figure 9). La conductivité des électrons varie en fonction

de la valeur du champ magnétique. Les ions sont efficacement créés par impact électronique dans la


12

zone où le champ magnétique est faible. Par contre, à la sortie du propulseur où le champ magnétique

est fort, les électrons dérivent doucement créant localement une forte accumulation de charges

électriques qui favorise l’éjection des ions du plasma. Les 2 grandeurs importantes pour un PI sont la

poussée ( ) et l’impulsion spécifique ( / ). Une limitation des PI à effet Hall vient de ce que ces

grandeurs sont totalement couplées (figure 10). Depuis une dizaine d’années, les chercheurs du

domaine cherchent à séparer ces 2 grandeurs en développant des systèmes de propulseur à 2 étages :

le premier dédié à l’ionisation, le 2ème à l’accélération. L’accélération étant très bien assurée par les PI

à effet Hall, les chercheurs se focalisent sur la recherche autour de l’ionisation. Les plasmas ECR

permettent d’ioniser très efficacement des flux d’atomes et ils pourraient être utilisés pour réaliser ce

premier étage. Une discussion avec J.P. Bœuf, spécialiste du domaine au laboratoire LAPLACE de

Toulouse a confirmé cette possibilité. Une collaboration avec le LAPLACE sur cette thématique

déboucherait sur un échange fructueux : l’équipe du LPSC apporterait son expertise en développement

de plasma ECR tandis que le LAPLACE apporterait son expertise dans le domaine de la simulation de

plasma par code PIC. L’équipe du LPSC pourrait ainsi chercher à rentrer dans une future collaboration

de recherche sur les propulseurs ioniques gérée par le CNES ou l'ONERA. Cette thématique serait

portée par un post‐doctorant sur une durée de 2 à 3 ans. Une autre possibilité de collaboration pourrait

exister avec l'école Polytechnique qui a récemment étudié en collaboration avec l'ONERA un prototype

de PI mono‐étage totalement ECR [11].

Figure 9: Vue en coupe d’un PI à effet Hall mono‐étage [10]

Fig. 10: Localisation de l’ionisation et de l’accélération dans un PI ( [10] )

3.7 Concept d’accélération ECRIPAC

Le concept de machine ECRIPAC (Electron Cyclotron Resonance Ion Plasma Accelerator) a été proposé

par R. Geller et al en 1990 [12,13]. L’objectif de la machine est de fabriquer, à partir d’un plasma ECR,

des pulses d’ions de haute énergie sans cavité accélératrices. Le concept utilise trois phénomènes

physiques qui ont été démontrés expérimentalement. Dans un gradient de champ magnétique axial,

une bobine pulsée montée en opposition génère un creux dans le profil de champ permettant la

fabrication d'un plasma ECR par injection d'une onde HF. L’intensité du champ magnétique au fond

du creux est augmentée progressivement de sorte que la condition de résonance ECR soit

conservée pour les électrons relativistes de facteur de Lorentz . Cet effet d’augmentation de l’énergie

perpendiculaire s’appelle l’effet Gyrac. Lorsque le creux de champ est finalement annulé, les électrons

relativistes vont dévaler le gradient de champ magnétique et transférer leur énergie transverse en

énergie longitudinale au champ magnétique : c’est l’effet Pleiade. Une partie des ions multichargés du

plasma va suivre les électrons par ambipolarité et être accélérée jusqu’à atteindre des hautes énergies.

Les estimations théoriques dans les publications prévoient la genèse de faisceaux d’ions avec une

énergie finale comprise entre 25 MeV/A et 470 MeV/A selon la quantité d’ions capables de suivre les

électrons et la taille de la machine. Le principe de fonctionnement du système ECRIPAC est présenté

sur la figure 9. Ces publications ont suscité un vif intérêt dans la communauté des sources ECR mais le


13

concept n’a jamais été testé. L’équipe du LPSC est très intéressée de monter un projet pour tester

enfin ce schéma d’accélération original qui aurait des applications sociétales pour la fabrication

d’isotopes radioactifs ou même des études de physique nucléaire. Le dimensionnement d’un

démonstrateur dédié à l’accélération d’ions jusqu’à 10 MeV/A nécessite une enceinte à vide de 5

mètres de long, d’un diamètre de 150 mm, d’un ensemble de solénoïdes fournissant un gradient de

champ magnétique avec un maximum de 3 T (figure 11). Le projet envisagé consiste à monter une

collaboration internationale pour concevoir et construire la machine, puis de mesurer et étudier les

mécanismes d’accélération des ions et des électrons. Ce projet d’une durée de 5 ans environ nécessite

un post‐doc à temps plein, un support technique à temps plein pour la conception mécanique,

électrotechnique et instrumentale. Le budget est estimé à 800 k€ pour la génération du champ

magnétique, le générateur HF 2,45 GHz 20 kW, l’enceinte à vide et l’instrumentation.

Figure 11 : Schéma de principe montrant l’évolution du profil de champ magnétique dans la machine ECRIPAC en fonction du temps

Figure 12 : exemple de machine ECRIPAC et profil de champ


I

Annexe 1 : Structure magnétique d'une source d'ions ECR multichargés Le champ magnétique d'une source d'ions ECR est composé de la superposition d'un champ

magnétique axial et d'un champ magnétique radial. Le champ magnétique axial est traditionnellement

fabriqué avec un ensemble de trois solénoïdes comme indiqué sur la figure ci‐dessous. Le solénoïde

au centre est polarisé en inverse, ce qui produit au total un profil de champ magnétique axial avec

deux pics et un creux central (figure A1.1). Dans cette structure, les particules sont réfléchies par effet

miroir magnétique (conséquence de la constance de l'énergie cinétique et du moment magnétique

des particules chargées dans un champ magnétique). Le champ magnétique radial est fabriqué par un

ensemble d'aimants constituant un hexapole (voir figure A.2). Pour les sources d'ions de haute

fréquence (f> 20 GHz), l'intensité de champ magnétique requise nécessite l'utilisation de bobines

supraconductrices pour fabriquer le champ magnétique hexapolaire. Au total, les iso‐modules de

champ magnétique forment un "minimum‐B" ou "bouteille magnétique" dans laquelle l'intensité du

champ magnétique est mimimum au centre et maximum sur les parois (figure A1.3). Les iso‐B sont des

surfaces fermées concentriques qui n'interceptent pas les parois. Lors de la conception d'une source

d'ions, la zone de résonance ECR est calculée pour être une surface magnétique fermée suffisamment

éloignée des parois.

Figure A1.1: champ magnétique axial d'une source ECR Figure A1.2 : champ magnétique radial d'une source ECR

Figure A1.3 : vue en coupe des iso‐B dans une structure de source ECR à "minimum‐B". la zone ECR est indiquée en rouge. La couleur est fonction de l'intensité du champ magnétique. Axe horizontal = axe z de symétrie de la source. Axe vertical= coupe radiale.


II

Annexe 2 : Publications et références

Liste des références dans le texte

[1] R. Geller, Electron Cyclotron Resonance Ion Sources and ECR Plasmas, CRC Press, 1 janv. 1996, ISBN 0‐7503‐0107‐4.

[2] F.J.C. Wenander, Charge Breeding of Radioactive Ions, contribution to the CAS‐CERN Accelerator School: Ion Sources, Senec, Slovakia, 29

May ‐ 8 June 2012, edited by R. Bailey, CERN‐2013‐007. See slides.

[3] P. Delahaye, O. Kester, C.Barton et al., Eur. Phys. J. A (2010) 46: 421.

[4] P. Sortais, T. Lamy, J. Médard et al., Ultracompact/ultralow power electron cyclotron resonance ion source for multipurpose applications,

Rev Sci Instrum. 2010 Feb;81(2):02B314.

[5] Z. Song, S. Peng et al., , Minipermanent magnet high‐current microwave ion source, Rev. of Scient. Instrum., 77, 03A305 (2006)

[6] S. X. Peng, A. L. Zhang et al., Improvements of PKU PMECRIS for continuous hundred hours CW proton beam operation, Rev. of Scient.

Instrum. 87, 02A706 (2016).

[7] http://www.pantechnik.com/#!sources

[8] P.D. Pedrow, IEEE Trans. on Plasma Science, vol. 17, no. 1, Feb. 1989, pp.17‐23.

[9] M.R. LaPointe, Theta‐Pinch Thruster for Piloted Deep Space Exploration, NASA/CR—2000‐210355

[10] J.P. Bœuf, Tutorial: Physics and modeling of Hall thrusters, Journal of Applied Physics 121, 011101 (2017)

[11] F. Cannat et al., Optimization of a coaxial electron cyclotron resonance plasma thruster with an analytical model. Physics of Plasmas,

American Institute of Physics, 2015, 22 (5), p. 053503 (12 p.).

[12] R. Geller, G. Melin , K. Golovanivsky, ECRIPAC: A new concept for the production and acceleration to very high‐energies of multiply

charged ions using an ECR plasma, Second European Particle Accelerator Conference, Mar 1992, Nice, France. pp.449‐451, 1990.

[13] P. Bertrand. Numerical simulation of ECRIPAC plasma behaviour with Vlasov equations including electron and collective effects.

EPAC 92 ‐ Third European Particle Accelerator Conference, Mar 1992, Berlin, Germany. pp.976‐978, 1992.

Liste des publications de l'équipe par thématique

Publications R&D Ions lourds

[1] T. Thuillier et al., Advanced magnetic calculations for high magnetic field compact ion source, Review of Scientific Instruments 75, 1526

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[2] T. Thuillier et al., High current beam transport with PHOENIX 28 GHz : experiment and simulation, Proceedings of the 16th International

Workshop on ECR Ion Sources, Berkeley, USA, September 2004, AIP Conf. Proc. 749, pp. 41‐46.

[3] T. Thuillier et al., A‐Phoenix, an electron cyclotron resonance ion source for the Spiral 2 facility, Review of Scientific Instruments 77,

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[4] T. Thuillier et al., First plasma of the A‐PHOENIX electron cyclotron resonance ion source, Rev. of Scient. Instrum. 79, 02A330 (2008)

[5] L. Schachter et al., The influence of ambipolarity on plasma confinement and the performance of ECRIS, Rev. of Scient. Instrum. 79,

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[6] H. R. Kremers et al., Comparison between an Allison scanner and the KVI‐4d emittance meter, Proceedings of the 18th International

Workshop on ECR Ion Sources, Chicago, USA, September 2008, www.jacow.org.

[7] T. Thuillier et al., Status report of the heavy ions source research and development for Spiral2, Rev. of Scient. Instrum. 81, 02A316 (2010)

[8] A. C. Villari et al., PK‐ISIS: a new superconducting ECR ion source at Pantechnik, Proceedings of the 19th International Workshop on ECR

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[9]. C. Peaucelle et al., First A/Q=3 beams of Phoenix V2 on the Spiral2 LEBT, Proceedings of the 19th International Workshop on ECR Ion

Sources, Grenoble, France (2010), JACoW online proceedings, www.jacow.org.

[10] T. Thuillier et al., Roadmap for the design of a superconducting electron cyclotron resonance ion source for Spiral2, Rev. of Scient.

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[11] G. Gaubert et al, Pantechnik new superconducting ion source: PKISIS, Rev. Sci. Instrum. 83, 02A344 (2012)

[12] T. Thuillier et al., Recent Results of PHOENIX V2 and New Prospects with PHOENIX V3, Proceedings of the 20th International Workshop

on ECR Ion Sources, Sydney, Australia (2012), JACoW online proceedings, www.jacow.org.

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Rev. Sci. Instrum. 85, 02A932 (2014)

[14] C. Barué et al., Metallic beam developments for the SPIRAL 2 project, Rev. Sci. Instrum. 85, 02A946 (2014)

[15] T. Thuillier et al., Investigation on the electron flux to the wall in the VENUS ion source, Rev. Sci. Instrum. 87, 02A736 (2016)

[16] H. Koivisto et al., Ion source research and development at University of Jyväskylä: Studies of different plasma processes and towards the

higher beam intensities, Rev. Sci. Instrum. 87, 02A725 (2016)

[17] T. Thuillier et al., Status of the SPIRAL2 injector commissioning, Rev. Sci. Instrum. 87, 02A733 (2016).


III

Publications R&D 60 GHz

[1] T. Thuillier et al., Study of pulsed electron cyclotron resonance ion source plasma near breakdown: The preglow, Rev. Sci. Instrum. 79,

02A314 (2008).

[2] T. Thuillier et al. A 60 GHz electron cyclotron resonance ion source for pulsed radioactive ion beam production, 18th International

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Workshop on Neutrino Factories, Super Beams and Beta Beams (NUFACT08), Jul 2008, Valencia, Spain. Proceedings of Science, Nufact08,

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[5] O. Tarvainen et al., The role of seed electrons on the plasma breakdown and preglow of electron cyclotron resonance ion source , Rev.

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[6] V. Zorin et al. Preglow" investigation in ECR discharge @ 37 GHz, 100kW, XIXth International Workshop on ECR Ion Sources (ECRIS 2010),

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[7] M. Marie‐Jeanne et al. Measurement of the Sixty GHz ECR Ion Source using Megawatt magnets ‐ SEISM magnetic field map, XIXth

International Workshop on ECR Ion Sources (ECRIS 2010), Aug 2010, Grenoble, France. pp.MOCOCK04, 2010

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[9] L. Latrasse et al. SEISM : a 60GHz cusp electron cyclotron resonance ion source, The 13th International Conference on Ion Sources (ICIS'09),

2009, Gatlinburg, United States. AIP Press, 81, pp.02A324, 2010,

[10] T. Lamy et al. Split magnet for efficient electron cyclotron resonance ion sources developments, 22th International Conference on

Magnet Technology (MT‐22 2011), Sep 2011, Marseille, France. 22, pp.4101804, 2011

[11] E. Wildner et al. Beta beams: an accelerator‐based facility to explore neutrino oscillation physics, 2nd International Particle Accelerator

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[12] T. Lamy et al. 60 GHz ECR source status, 13th International Workshop on Neutrino Factories, Super Beams and Beta Beams (NUFACT

11), Aug 2011, Geneva, Switzerland

[13] O. Tarvainen et al. Pulsed Operation of ECR Ion Sources ‐ Plasma Physics and Diagnostics, 8th International Workshop "Strong

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[14] T. Lamy et al. An ECR ion source with a high power ‐ high frequency gyrotron, the 60 GHz 'SEISM' project, 8th International Workshop

"Strong Microwaves and Terahertz Waves : Sources ans Applications", Jul 2011, Nizhny Novgorod, Russia. Russian Academy of Sciences,

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[15] T. Lamy. Status and perspectives of high power ion sources, ECOS 2012 Advances and challenges in nuclear physics with high intensity

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IV

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Documents

Prospectives sources d’ions - Institut national de physique nucléaire et de ... · 2017-06-09 · Prospectives sources d’ions ‐ 21 juin 2017 2 ( é Ðé Ô 10 810 9 ;, le temps