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SOMMAIRE

Roscoff 2013 LES sources d'ions ECR supraconductrices de 3 ème génération: technologie, performances et limitations. SOMMAIRE. INTRODUCTION AUX SOURCES ECR LES SOURCES DE 1 ère , 2 ème ET 3 ème GENERATION TECHNOLOGIE DES SOURCES DE 3 ème GENERATION PERFORMANCES LIMITATIONS

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Presentation Transcript

  1. Roscoff 2013LES sources d'ions ECR supraconductrices de 3ème génération: technologie, performances et limitations

  2. SOMMAIRE • INTRODUCTION AUX SOURCES ECR • LES SOURCES DE 1ère, 2ème ET 3ème GENERATION • TECHNOLOGIE DES SOURCES DE 3ème GENERATION • PERFORMANCES • LIMITATIONS • PERSPECTIVE FRANCAISE

  3. INTRODUCTION AUX SOURCES ECR Les ingrédients d’une source ECR d’ions multichargés Une cavité métallique cylindrique (multimode en RF) Une bouteille magnétique (minimum-B) pour confiner les particules chargées par effet miroir magnétique Un vide secondaire 10-5-10-8 mbar (minimiser l’échange de charge) Une injection d’atomes (gaz ou vapeurs métalliques) Iso-B vide Atomes Champ électrique Puissance RF Faisceau d’ions Extrait Une injection de puissance microonde 1-10 kW Lignes de champ Un champ électrique accélérateur pour extraire le faisceau d’ions Une surface fermée où Condition de RESONANCE ECR Génération d’un plasma Stable d’électrons chauds et d’ions multichargés froids

  4. 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 BECR Bz Axial Mirror Champ hexapolaire BECR |B|(x,z) z Source LBNL 2r z Source RIKEN, Nakagawa Iignes Iso-B Source D. Xie

  5. 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) • La légende dit qu’à l’allumage de la machine, la moitié de la ville de Grenoble a été plongée dans le noir Bernard Jacquot Supermafios T. Thuillier, LPSC, Journées Accélérateurs, Roscoff, 14 Octobre2013

  6. 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)

  7. 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 Axial Magneticfieldlines (ECR4M) FeNdBhexapole

  8. SOURCE DE 3EME GENERATION Source de 3ème génération (3G) fECR=24 - 28 GHz • 4 en opération: , 4 en projet:

  9. SOURCE DE 3EME GENERATION Les sources 3G existantes SECRAL, Lanzhou, Chine VENUS, LBL, USA SUSI, MSU, USA RIKEN SC ECRIS,Japon

  10. SOURCE DE 3EME GENERATION: TECHNOLOGIE Source 3G: exemple de VENUS (LBNL) • Démarrage projet 1998 -> 1erplasma 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 magnétique radial le long de l’axe de la source à R=7 cm Profil axial

  11. SOURCE DE 3EME GENERATION: TECHNOLOGIE VENUS: cryostat et masse froide Power Feed through (1 out of 8) Cryocooler Flange (4) LN Reservoir (70 K) Tourelle de service HTC Leads 8leads LHe (upper cryostat) Reservoir (4.2 K) Vacuum Feed throughs 50 K Shield Warm Bore Plasma Chamber Vacuum Vessel Cryostat Cold Masswith Coils Enclosed 77K LN pour thermaliser les 8 amenées De courant (70 W) Circuit Fermé: He recyclé par recondensation des vapeursvers le réservoir de LHe Ecran thermique à 50 K alimenté par le 1et étage Des cryocoolers Iron Yoke Links

  12. SOURCE DE 3EME GENERATION: PERFORMANCES Performance des sources ECR en Argon Argon G1 ECRIS! meilleure G2 aimants chauds à 18 GHz (GTS) Sources supra De large volume ECRIS - G3 Source: G.Machicoane, MSU/NSCL,ICIS’11, modified

  13. SOURCE DE 3EME GENERATION: PERFORMANCES Performance en uranium (test VENUS LBNL+MSU) • Spectre impressionant! • Four 2000°C avec un creuset en Rhenium • Consommation U ~9 mg/h • 2 kW 18 GHz+6.5 kW 28 GHz • VENUS réglée à fond • transmission LEBT limitée à 22 kV • drain HV 9 mA, CF tot~5mA • Pas de limitation du côté source, qui répond à la HF et à la température four U33+ O3+ O2+ U34+ U35+ Current (emA) M/Q • Emittance compatible avec les spécif. de FRIB Valide l’operation de FRIB avec 220 µA U33+ + 220 µA U34+ H V

  14. SOURCE DE 3EME GENERATION: PERFORMANCES Résumé des perfomances de VENUS (référence)

  15. 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 • Courant d’ions

  16. 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 • 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… Trou dans la chambre à plasmas de VENUS Recristalisation Alu chambre interne VENUS

  17. 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… Cold Masswith Coils Enclosed VENUS Chambre à plasma VENUS Isolant HT (mylar) endommagé

  18. 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… without shield with shield HV Insulator 2mm Tantalum X-ray Shield Water Cooling Grooves at the plasma Flutes Chambre Plasma Aluminium

  19. 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 Secral

  20. 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) • champ magnétique à l’électrode plasma, rayon électrode (mm) , masse sur charge • La plupart des « cartons » des sources supra sont INUTILISABLES avec leurs accélérateurs dimensionnés pour les sources G2

  21. 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, (PHOENIX-V2, 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-IRFU-GANIL-IPNL en cours de discussion • pour développer la première source supra G3 en europe sur la période 2015-2020

  22. MERCI POUR VOTRE ATTENTION !

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