Renan Leroy

J P Fouan

Président R Leroy (gan Il -Caen

Martha Bacal

P Leheriss1er

Président De Séance : Gérard

Melin Hh3o

Repas F Landre

Président Jean Au Bert

Raphaël Gobin

R Meunier

P Coste

P Jardin

J-Y Pacquet

G Gaubert

Y Huguet

N Lecesne

Acc Villari

F Landre

C Barue

J-P Rataud

N T Chauvin

J F Lamy

J L Bruandet

J C Bouly

R Curdy

P Geller

P Sole

J L Sortais

Vieux-Rochaz

Claude Jacquot

Paul Lez Durance

P Y Beauvais

D Bogard

G Bourdelle

L Celona

G Charruau

O Delferrière

D De Menezes

A France

R Ferdinand

Y Gauthier

F Harrault

J L Jannin

J M Lagniel

P A Leroy

L Yao

' ion-atome et ion-molécule à basse énergie Pause Café

C'est avec un grand plaisir que nous avons organisé ces dernières journées sources d'ions. Le nombre toujours croissant de participants et de laboratoires présents lors de ces rencontres dénotent l'utilité et l'intérêt de ces réunions qui permettent un échange important d'informations sur les activités générées dans ce domaine. Un site internet sera très prochainement créé sous la responsabilité de Thierry Lamy de l'Institut des Sciences Nucléaires de Grenoble, dont le but est d'élargir les possibilités de communication entre les différents acteurs concernés par cette science. Un soutien important sera à fournir de la part de chacun d'entre nous pour que cette opération fonctionne. La prochaine rencontre sera organisée en l'an 2000 au Centre d'Etudes Nucléaires de Cadarache sous la responsabilté de Ron Hemsworth à une date qui sera communiquée ultérieurement. La décision d'avancer d'une année ces rencontres est justifiée par le risque de télescopage entre cette réunion et la conférence internationale sur les source d'ions (ICIS) qui se tient, comme les journées sources d'ions tous les deux ans.

Nous espérons que nous serons encore plus nombreux à nous retrouver l'année prochaine à Cadarache afin de pouvoir mesurer à nouveau les progrès effectués dans ce domaine.

FR9903399

Les sources de faisceaux primaires à GANIL P. Lehérissier, C. Barué, M. Dupuis, J.L. Flambard, F. Lemagnen, J.P. Rataud GANIL BP 5027 -14076 Cedex 5 -France

Pour satisfaire aux possibilités de l'accélérateur, les sources ECR de GANIL sont en mesure de proposer une large gamme de faisceaux d'ions (depuis le carbone jusqu'à l'uranium) qui peuvent être distribués en temps partagé dans 2 salles d'expériences différentes avec des énergies comprises entre 95 MeV/A ET 24 MeV/A. La mise en oeuvre de ces faisceaux nombreux (25 à 30 par an) et variés (31 éléments accélérés) est facilitée par l'utilisation en alternance de 2 sources ECR, chacune couplée à un cyclotron compact appelé cyclotron injecteur.

COI CSS1

CSS2

SPIRAL

C02 Taiget

Les sources utilisées sont identiques : ECR4-14 GHz à injection HF coaxiale et dont le confinement magnétique est assuré par 2 bobines dans le plan axial et par un hexapole à aimant permanent dans le plan radial.

Modes de fonctionnement de la source ECR4 du COI en ions métalliques

Evaporation cfeecte ( pos 33 mm 1 \X' 013 09

.2S^-247-;.-Z?"~2pj 18 16 H 12 10 3 K 4 2 0 j '<// //' cm y, '-

L' une permet l'extraction du faisceau entre 10 et 25 kV avec un rendement à la sortie du cyclotron injecteur C02 de l'ordre de 20%. Tandis que l'autre, placée sur une plate-forme haute Figure 3 Introduit sur l'axe de la source, le micro four reste à l'intérieur du tube coaxial, afin de découpler au maximum l'évaporation par chauffage ohmique du fonctionnement de la source.

H permet de travailler à partir de 350° (Zn) jusqu'à 1500° (Ni). Au delà, la rupture du filament ou une metallisation des isolants intervient à plus ou moins long terme. L'origine chimique et la granulométrie des échantillons peuvent aussi influencer l'évaporation et par conséquent la reproductibilité. Des comportements différents ont été constatés lors de la production de faisceaux à partir soit de l'élément naturel, soit de l'isotope enrichi.

Sputtering

Développé pour la production de faisceaux d'uranium, dont la température de fonctionnement (2000° C) n'est pas accessible par le micro four, cette méthode a été appliquée à quelques autres ions (Nb, Ni, Ta) en raison de sa remarquable stabilité et de sa grande autonomie (4 à 8 jours) malgré une forte consommation (3 à 7 mg/h).

Applicable aux éléments naturels et conducteurs, les échantillons de forme cylindrique (0 : 5 mm, longueur : 20 mm) sont introduits sur l'axe de la source à l'aide d'une tige support refroidie. Ils sont polarisés négativement (800 à 2000 V) par rapport à la chambre à plasma. Les ions du plasma, essentiellement dus au gaz support, servent de projectiles pour arracher les atomes de l'échantillon qui seront à leur tour ionisés. La position, intermédiaire entre I'evaporation directe et celle du micro four et la tension de polarisation permettent d'ajuster la quantité d'atomes éjectés. La position est ajustée (1 fois par jour) pour compenser l'usure de l'échantillon.

Le gaz support permet d'une part l'évaporation de l'échantillon, et d'autre part l'optimisation de la charge désirée. Les fortes consommations observées, limitent l'utilisation de gaz sensibles à l'effet Getter. Un compromis est souvent nécessaire dans le choix de ce gaz.

Avec le Ta l'utilisation de 2 gaz support (Ar, O2) nous a permis d'obtenir des intensités sensiblement supérieures (Ta 24+ à 9 uA) à celles obtenues pour le Ni et le Nb avec un seul gaz support (1 à 2 juA), tout en conservant une grande stabilité. Dans ce cas, l'argon sert principalement à l'arrachement des atomes tandis que l'oxygène participe davantage à l'ionisation.

Une autre possibilité de contrôler l'arrachement des atomes et d'éviter les phénomènes d'emballement, consiste à limiter le courant (1 à 2 mA) pouvant être délivré par l'alimentation de polarisation de l'échantillon.

Composés condensables volatiles

• A priori c'est la méthode la plus simple à mettre en oeuvre, et les intensités obtenues sont plus élevées que celles obtenues par les autres méthodes. Cependant les difficultés sont de plusieurs ordres :

-trouver un composé d'élément condensable gazeux ou volatil, dont la molécule ne soit pas trop complexe afin de pouvoir optimiser l'ionisation ;

-pouvoir éventuellement le synthétiser à partir d'isotopes enrichis ;

-résoudre les problèmes de conductance de ces grosses molécules pour les acheminer sans dissociation ou condensation vers la chambre à plasma ; -tenir compte de la toxicité éventuelle du nombre de ces composés.

Nous utilisons depuis plusieurs années le silane (SiflU) et l'hexafluorure de soufre (SF 6 ) pour la production de 28 Si 6+: 30 |iA et de 36 S 10+ 15 uA. Non limités par la consommation nous avons obtenu avec le soufre naturel 32 S 9+ : 75 juA.

Nous essayons depuis peu la méthode MIVOC (Metal Ions From Volatile Compounds) [ 2 ] avec le ferrocene Fe (CsHs^. La paroi de la chambre à plasma est recouverte d'un tube aluminium. Les premiers résultats (Fe 1 + 25 JJA Fe 60 uA) stables pendant plusieurs heures nous incitent à poursuivre dans cette voie.

Objectifs et Développements

• Les possibilités de fonctionnement dès à présent au delà de 400 W puis la mise en exploitation de SPIRAL destiné à la production et à l'accélération de faisceaux d'ions radioactifs, exigent une augmentation sensible des intensités produites par les sources du faisceau primaire de GANIL.

L'objectif final est d'atteindre une puissance de faisceau de 6 kW sur la cible de production d'ions radioactifs. La première étape vise 2 kW pour quelques ions bien définis produits à partir de la source ECR4 située sur la plate-forme 100 kV.

M

Un effort de développement s'engage donc pour la production de faisceau haute intensité de Ca, Ni, Mg et Kr.

• Ils ont pour but la recherche de la méthode la mieux adaptée à chaque ion : Utilisation de chambre en aluminium pour Ar, Kr, Ca, Mg, Ni Polarisation des fours pour Ca et Ni Nouveau type de four pour le Ni Utilisation de paroi " chaude " pour minimiser la consommation de Ca 48 (feuille de Ta, isolée thermiquement de la paroi de la chambre à plasma, autochauffée par la HF et le plasma, assurant le recyclage des éléments à faible température de fonctionnement Ca, Mg) Adaptation de la méthode MWOC pour la production de Ni à partir du Nickelocène

•

Des résultats sont attendus de la modification de la source ECR4 en ECR4M qui possède un meilleur confinement magnétique.

•

Des essais sont en cours avec la source SuperShypie sur banc d'essai 3 . Ces travaux d'étude de collisions Ion-Atome ont fait l'objet de 9 thèses de doctorat universitaire et de 60 publications dans des revues et des colloques.

SUPERSHYPIE :

La cavité plasma de la source ECR 4M de diamètre 64 mm et de longueur 176 mm a été portée à 285 mm. Les anneaux de fer doux de fermeture du champ axial ont été remplacés par des anneaux d'aimants permanents (hexapôles et orientation radiale). Le champ axial résultant des courants dans les bobines coté induction (BI), extraction (BE) et des anneaux est représenté sur la figure 1

Principe et but de l'expérience

A basse énergie, lors d'une collision entre un ion A4 + et une cible atomique alcaline, le processus dominant est la simple capture électronique. Les sections efficaces dépendent essentiellement de l'énergie de collision et du recouvrement des orbitales de l'ion incident et de l'atome cible . Les techniques de pompage optique par laser permettent de préparer la cible dans un état quantique donné; la polarisation du faisceau laser provoque l'alignement du nuage électronique de la cible et permet l'étude de l'influence du recouvrement des orbitales. Les collisions sur des cibles excitées et polarisées ont des applications dans le domaine des faisceaux d'ions polarisés nucléairement après transfert de polarisation du nuage électronique vers le noyau .

Montage experimental

Les ions Ar §+ sont produits par une source ECR "SUPERSHYPIE" et sont focalisés sur un jet effusif de césium. L'optique de faisceau après le dipole d'analyse comporte une lentille électrostatique (accélération, décélération) et un triplet de quadrupôles utilisé symétriquement. La source a été portée de 10 à 20 kV. Un ralentisseur, placé au centre de l'enceinte a permis de descendre à une énergie de collision de 2 qkeV.

Le jet de césium est produit par un four suivi d'un tube capillaire et d'un collimateur. Un détecteur de type Langmuir-Taylor permet de mesurer le nombre d'atomes par unité de volume.

Le pompage optique est assuré par deux diodes laser monomodes accordées et asservies sur deux transitions hyperfines de 6s vers 6p du i33Cs de spin nucléaire 1=7/2 (852 nm).

Une partie des photons émis (dans 4rc stéradiants) lors de la collision sont focalisés sur la fente d'entrée d'un spectromètre à réseau de haute résolution.

Cahier des charges pour la source d'io

-Nécessité d'un faisceau suffisamment intense.

-Stabilité du faisceau pendant la durée (3 à 8 heures) d'expérience limitée par le fonctionnement du four de césium

Résultats de fonctionnement de SUPERSHYPIE

Pour Ar 8+ , les meilleures performances ont été obtenues avec de l'hélium comme gaz support. La figure 2

Principe et but de l'expérience

La fragmentation des molécules permet d'approfondir la recherche fondamentale sur la nature et la dynamique de la structure moléculaire. Lors des collisions entre des hautement chargés et une molécule il y a ionisation et excitation. II en résulte une fragmentation. L'analyse de la direction et de la vitesse des fragments moléculaires permet de connaître les états excités de la molécule peuplés par la collision.

Un autre procédé consiste à étudier la spectroscopie des électrons Auger émis à la suite des captures d'électrons de l'atome ou de la molécule par l'ion projectile. L'observation de la vitesse et de la direction d'émission après double capture permet de mesurer la section efficace de captures simultanées et corrélées ou successives.

Montage expérimental

Les ions produits par la source ECR "SUPERSHYPIE" doivent former un faisceau fin (2 x 2 mm) et de très faible émittance qui croise le jet atomique à la sortie de la buse en graphite au centre de l'enceinte. Le spectromètre électrostatique de haute résolution est porté par un anneau centré sur le point de collision. Les spectres obtenus permettent l'analyse en énergie et en angle des électrons ou des ions émis.

L'optique après le dipôle d'analyse, lentille électrostatique, permet de former un faisceau que l'on collimate à l'aide d'un diaphragme de fentes (=2x2 mm mais réglables). Devant le cylindre de Faraday (Cf) placé en bout de ligne à la sortie de l'enceinte est placé un diaphragme (Dph.) de 2 x 2 mm. Le réglage de la source et de tous les éléments d'optique de faisceau consiste à obtenir dans la pratique, la meilleure intensité de faisceau sur Cf associée au plus faible rapport possible Dph/Cf (voir le tableau ci-dessous). Cependant, dans ce cas, l'intensité sur Cf est de 1% à 1,5% de celle mesurée après la fente image du dipole d'analyse.

Cahier des charges pour la source d'ions

-La meilleure performance en intensité et qualité de faisceau pour les hauts états de charge; -Stabilité, sans intervention pendant la durée d'acquisition des spectres (1/2 à 1 heure) et aussi d'une expérience complète de 3 à 8 heures.

Résultats de fonctionnement de SUPERSHYPIE

Les figures et le tableau qui suivent illustrent les remarquables performances de SUPERSHYPIE pour la production des hauts états de charge et pour sa stabilité. Cependant, si l'on compare l'intensité du "courant source" à celle mesurée après l'extraction et par l'intégrale du spectre obtenu, le meilleur rapport est de 50% mais peut descendre à 15%.

"*Xe-HT MOW -l HF600 W -15qfteV 3 J f M if 2 i H 1 • 's! ié 20 :
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Conclusion

En tant qu'expérimentateurs et utilisateurs de la source SUPERSHYPIE, nous exprimons notre grande satisfaction en particulier sur ses performances pour les hauts états de charge, sur son réglage assez souple et sa grande stabilité. Ce sont sur ces points que nous avons ressenti une différence par comparaison avec l'ECR 4M.

Nous remercions fortement l'équipe "sources d'ions" du GANIL pour leur compétence, l'entente avec eux et leur effort pour satisfaire nos besoins de physiciens. "Xles travaux d'étude de collisions Ion-Atome ont fait l'objet de 9 thèses de doctorat universitaire et de 60 publications dans des revues et des colloques.

SUPERSHYPIE :

La cavité plasma de la source ECR 4M de diamètre 64 mm et de longueur 176 mm a été portée à 285 mm. Les anneaux de fer doux de fermeture du champ axial ont été remplacés par des anneaux d'aimants permanents (hexapôles et orientation radiale). Le champ axial résultant des courants dans les bobines coté induction (BI), extraction (BE) et des anneaux est représenté sur la figure 1 A basse énergie, lors d'une collision entre un ion A^+ et une cible atomique alcaline, le processus dominant est la simple capture électronique. Les sections efficaces dépendent essentiellement de l'énergie de collision et du recouvrement des orbitales de l'ion incident et de l'atome cible . Les techniques de pompage optique par laser permettent de préparer la cible dans un état quantique donné; la polarisation du faisceau laser provoque l'alignement du nuage électronique de la cible et permet l'étude de l'influence du recouvrement des orbitales. Les collisions sur des cibles excitées et polarisées ont des applications dans le domaine des faisceaux d'ions polarisés nucléairement après transfert de polarisation du nuage électronique vers le noyau .

Montage expérimental

Les ions Ar8+ sont produits par une source ECR "SUPERSHYPIE" et sont focalisés sur un jet effusif de césium. L'optique de faisceau après le dipole d'analyse comporte une lentille électrostatique (accélération, décélération) et un triplet de quadrupôles utilisé symétriquement. La source a été portée de 10 à 20 kV. Un ralentisseur, placé au centre de l'enceinte a permis de descendre à une énergie de collision de 2 qkeV.

Le jet de césium est produit par un four suivi d'un tube capillaire et d'un collimateur. Un détecteur de type Langmuir-Taylor permet de mesurer le nombre d'atomes par unité de volume.

Le pompage optique est assuré par deux diodes laser monomodes accordées et asservies sur deux transitions hyperfines de 6s vers 6p du 133 Cs de spin nucléaire 1=7/2 (852 nm).

Une partie des photons émis (dans 4TT stéradiants) lors de la collision sont focalisés sur la fente d'entrée d'un spectromètre à réseau de haute résolution.

Cahier des charges pour la source d'io

-Nécessité d'un faisceau suffisamment intense.

-Stabilité du faisceau pendant la durée (3 à 8 heures) d'expérience limitée par le fonctionnement du four de césium

Résultats de fonctionnement de SUPERSHYPIE

Pour Ar 8+ , les meilleures performances ont été obtenues avec de l'hélium comme gaz support. La figure 2

Principe et but de l'expérience

La fragmentation des molécules permet d'approfondir la recherche fondamentale sur la nature et la dynamique de la structure moléculaire. Lors des collisions entre des hautement chargés et une molécule il y a ionisation et excitation. Il en résulte une fragmentation. L'analyse de la direction et de la vitesse des fragments moléculaires permet de connaître les états excités de la molécule peuplés par la collision.

Un autre procédé consiste à étudier la spectroscopie des électrons Auger émis à la suite des captures d'électrons de l'atome ou de la molécule par l'ion projectile. L'observation de la vitesse et de la direction d'émission après double capture permet de mesurer la section efficace de captures simultanées et corrélées ou successives.

Montage expérimental

Les ions produits par la source ECR "SUPERSHYPIE" doivent former un faisceau fin (2 x 2 mm) et de très faible émittance qui croise le jet atomique à la sortie de la buse en graphite au centre de l'enceinte. Le spectromètre électrostatique de haute résolution est porté par un anneau centré sur le point de collision. Les spectres obtenus permettent l'analyse en énergie et en angle des électrons ou des ions émis.

L'optique après le dipôle d'analyse, lentille électrostatique, permet de former un faisceau que l'on collimate à l'aide d'un diaphragme de fentes (=2x2 mm mais réglables). Devant le cylindre de Faraday (Cf) placé en bout de ligne à la sortie de l'enceinte est placé un diaphragme (Dph.) de 2 x 2 mm. Le réglage de la source et de tous les éléments d'optique de faisceau consiste à obtenir dans la pratique, la meilleure intensité de faisceau sur Cf associée au plus faible rapport possible Dph/Cf (voir le tableau ci-dessous). Cependant, dans ce cas, l'intensité sur Cf est de 1% à 1,5% de celle mesurée après la fente image du dipole d'analyse.

Cahier des charges pour la source d'ions

-La meilleure performance en intensité et qualité de faisceau pour les hauts états de charge; -Stabilité, sans intervention pendant la durée d'acquisition des spectres (1/2 à 1 heure) et aussi d'une expérience complète de 3 à 8 heures.

Résultats de fonctionnement de SUPERSHYPIE

Les figures et le tableau qui suivent illustrent les remarquables performances de SUPERSHYPIE pour la production des hauts états de charge et pour sa stabilité. Cependant, si l'on compare l'intensité du "courant source" à celle mesurée après l'extraction et.par l'intégrale du spectre obtenu, le meilleur rapport est de 50% mais peut descendre à 15%.

FR9903401

Une fois produit par réaction nucléaire au sein de la cible, l'atome va diffuser. Pour être utilisables leur durée de vie doit être supérieure au temps mis pour voyager de la cible jusqu'au aires expérimentales, soit une plage de quelques millièmes de secondes à quelques minutes. Il faut donc qu'ils sortent de la cible le plus rapidement possible.

Optimisation de la diffusion

La diffusion est gouvernée par cinq paramètres [MAU-98] :

-Les deux coefficients d'Arrhénius (Log(Do) et Ea) qui sont liés au couple cible -atome diffusant.

-La température : la figure 1, représentant l'efficacité de diffusion en fonction de la température, montre l'intérêt d'avoir une cible la plus chaude possible.

-La structure de la cible : cette même figure représente l'efficacité pour deux tailles de grain (4 et 15^m) et l'estime pour un grain de 1 |im. Il faut une taille de grain la plus petite possible.

-Le temps de vie : ce temps limite l'efficacité de diffusion pour les atomes de temps de vie court car ils risquent d'être désintégrés avant de sortir du grain, d'où l'intérêt d'avoir, une fois de plus, un grain le plus petit possible. En vue de ces contraintes, la cible utilisée sur SPIRAL aura une taille de grain de 4|im et sera chauffée à des températures de l'ordre de 2000 c C. Une étude est en court de réalisation pour vérifier l'amélioration de la diffusion avec un carbone de grain de 1 )J.m. Suivant le type de faisceau demandé par les utilisateurs, les configurations des ensembles ciblesource ne seront pas les mêmes pour les gaz rares et les alcalins.

Ensemble cible -source NANOGAN III Cet ensemble va être remplacé tous les quinze jours pour diverses raisons : c'est le temps de vie estimé de la cible en carbone et c'est aussi pour limiter l'irradiation de l'ensemble. (La source pourra être réutilisée ultérieurement). Ce changement se fera de façon automatique sans intervention humaine dans les zones irradiées. L'ensemble est fermé par deux vannes (une. côté haute énergie et une. côté très basse énergie) limitant la contamination de l'air dans la casemate.

Enfin, la source est constituée d'aimants permanents permettant d'avoir un ensemble compact, ce qui va limiter les coûts de retraitements.

Cet ensemble a été testé en ligne avec une cible chauffée à 2000 °C sur le banc de test SIRa. Un spectre d'Argon 40 est présenté ci dessous (figure 3). L'efficacité d'ionisation totale est de 100 % pour les gaz rares et le pic en 8-présente une efficacité relative de 16 % en particules. Lors de tests hors ligne sur SPIRAL, cette efficacité a atteint une valeur de 25 %. Ensemble cible -source MONOLITHE (MONOchargé de Lithium Exotique)

Cet ensemble entre dans le cadre du projet I-r/n-4-[TAM-97]. La forte demande des physiciens pour étudier le phénomène de "Halo" et plus particulièrement le ^Li, nous a conduit à développer un ensemble dédié aux Alcalins.

Le l'Li est un condensable et a un temps de demi vie de 8,7ms, le chemin entre la cible et la source doit être minimisé, la source devra être intégrée à la cible. Le potentiel d'ionisation est de 5,39eV. La source la mieux adaptée est donc une source à ionisation de surface en tungstène , qui une fois oxydé, a un travail de sortie de 6,24 eV.

La production se fait par fragmentation du projectile (on utilise un faisceau primaire dî'°O à 78MeV/A). En vue du parcours très grand du Lithium dans le carbone, celui ci va s'arrêter dans une zone froide à l'arrière de la cible défavorisant la diffusion des atomes. Une cible en deux parties est donc utilisée, la première (cible de production), arrêtant le faisceau primaire, va être refroidie pour dissiper la puissance du faisceau, et la seconde (cible de diffusion), où vont être arrêtés les atomes de Lithium, va être chauffée à 2000°C.

Pour favoriser l'effusion et guider les atomes vers la source, des petits canaux de 1 mm de diamètre ont été creusés ( Figure 4).

Perspectives

Etant donné la demande des utilisateurs, un nouvel ensemble est en court d'étude, il sera dédié à l'Hélium. A l'heure actuelle, les études s'orientent vers deux voies gouvernées par le choix du mode de production.

Le premier choix s'oriente vers la production par fragmentation de la cible avec un ensemble cible-source du type NANOGAN III.

La deuxième méthode, quant à elle, se basera sur la fragmentation à la fois du projectile et de la cible augmentant ainsi de façon non négligeable le taux de production. L'utilisation de trois cibles serait alors nécessaire.

Introduction

Dans le cadre du projet SPIRAL (Système de Production d'Ions Radioactifs en Ligne), la possibilité de produire des ions grâce à la méthode baptisée "l+/n+" est étudiée au sein d'une collaboration entre le GANIL Caen pour la partie "1+" et l'ISN de Grenoble pour la partie "n+".

Actuellement, les atomes radioactifs sont produits au cours de la collision entre les ions "haute énergie" (~60MeV/A à -100MeV/A) délivrés par le cyclotron CSS2 du Ganil et les atomes d'une cible de carbone. Les atomes radioactifs sont stoppés dans l'épaisseur de la cible, d'où ils diffusent pour atteindre la chambre d'une source ECR d'ions multichargés (Nanogan III). Après extraction de la source, les ions de masse et d'état de charge désiré sont sélectionnés par un dipôle magnétique puis guidés jusqu'au cyclotron accélérateur avant d'être dirigé vers les salles d'expérience. Pour éviter que les atomes radioactifs aient le temps de se transformer au cours de leur transit entre la cible et la source, la source est située au plus près de la cible. Parce que cette proximité intervient directement sur l'efficacité de production, ces deux éléments, cible et source, forment un ensemble compact appelé ECS (Ensemble Cible Source). Pour des raisons d'activité produite au cours de la collision, l'ECS est installé dans une casemate blindée, d'où il est retiré tous les 15 jours pour être remplacé, puis considéré comme déchet.

Cette solution implique un volume de déchet annuel de l'ordre de 600 kg, et des contraintes de budget et d'exploitation qu'il paraît évident de vouloir réduire.

Dans ce but, la méthode de production l+/n+ a été proposée. Il s'agit de remplacer à l'intérieur de la casemate la source Nanogan III par une source d'ions monochargés. Cette source permettra d'ioniser les atomes radioactifs pour pouvoir les transporter à l'extérieur de la casemate où ils seront portés à des états de charge supérieurs à la suite de leur injection dans une source ECR d'ions multichargés.

Le groupe cible/source du GANIL a donc développé une nouvelle source ECR d'ions monochargés (GI MONO 1000) dont la taille, la simplicité, la fiabilité, l'efficacité, le coût répondent aux contraintes imposées d'une part par son exploitation et d'autre part par son association à la cible et à la source n+.

Description du prototype de générateur d'ions à résonance cyclotronique électronique GI MONO 1000

La chambre à vide du prototype de générateur d'ions à résonance cyclotronique électronique "GI MONO 1000" (voir figure ci dessous) est constituée d'un cylindre en cuivre non refroidi dont le diamètre intérieur est de 90 mm et la longueur de 230 mm. La structure magnétique à aimants permanents assure un volume de = 500 cmm agnétiquement confiné par une surface fermée dont le module de champ est de 2100gauss. Le champ magnétique minimum à l'intérieur de ce volume est égal à 0, ce qui permet une gamme de fréquence de résonance importante. L'onde H.F. utilisée est fournie par un émetteur à puissance variable de 200W, 2.45GHz. L'onde est injectée dans la chambre à l'aide d'un passage coaxial terminé par une antenne. L'électrode plasma est située dans un champ magnétique présentant un module de 1800 gauss.

SI mono 1000

Résultats préliminaires

Production de faisceaux de gaz rares monochargés Les premiers essais ont été effectués avec un trou dans l'électrode plasma de diamètre 2 mm. Le fonctionnement avec différents gaz argon, néon et hélium dont les énergies de simple ionisation s'échelonnent entre 16 et 25eV montre que la source démarre avec une pression dans l'enceinte de l'ordre de 2.10"" mbar à une puissance d'environ 20W.

Le tableau ci-après montre la dépendance des intensités d'Ar + avec le diamètre du trou de l'électrode plasma. Pour réaliser cette expérience, une vanne a été réglée de façon à obtenir dans le spectre un courant d'argon donné. En conservant le même réglage de la vanne et la même pression amont de gaz SC>2 , on en déduit la fuite équivalente de SO2-A partir de l'analyse du spectre et de l'intensité des différents ions atomiques ou moléculaires contenant du -^S, i] a été possible de déduire que l'efficacité d'ionisation pour l'ion 32s 1+ est de 41%.

Des essais d'ionisation du fer à partir de la molécule de ferrocene, du soufre à partir de la molécule de SF6 et du chrome évaporé à l'aide d'un four auront lieu dans les mois à venir. Pour de nombreuses sources ECR dont le confinement radial est réalisé à l'aide de multipôles, la forme du faisceau due aux dissymétries de champ à l'extraction conduisent à des pertes lors du transport dans les lignes de faisceau. Dans le cas de cette source, ces pertes disparaissent grâce à la symétrie cylindrique du champ magnétique.

Outre les qualités géométriques de son faisceau, cette source devrait permettre d'obtenir des intensités relativement importantes si l'on admet que le courant maximum pouvant être débité par une source ECR est fonction croissante du volume plasma, qui dans ce cas sera de -1,51, pour un volume de chambre de 31.

Enfin, le poids est de -80 kg, le volume de 17 1 pour un coût estimé à 250kF.

Description de la source SUPERSHYPIE

Une modification de la source ECR4M baptisée SUPERSHYPIE a été réalisée dans le but d'augmenter l'intensité du faisceau extrait. Cette transformation a consisté à remplacer à chaque extrémité de la structure magnétique les flasques en fer doux destinées à la fermeture du champ magnétique par des couronnes d'aimants permanents dont l'orientation du champ est radiale. Le volume de la source a ainsi été augmenté de -50%, ainsi que les performances et de façon encore plus remarquable la stabilité. Il est maintenant possible d'obtenir un spectre en état de charge pointé sur l'Ar 12+ (26|iA), ou une intensité de 15\IA d'Ar 14+ , ou bien encore lOOnA d'Ar 17+ (intensité non mesurable dans le cas d'ECR4), cela pendant plusieurs semaines et sans aucune difficulté de réglage de la source. Il a par ailleurs été possible de régler cette source de façon à obtenir un courant d'He^" 1 " ( 552|iAe) plus important que le courant d'He + (292uAe).

Outre l'amélioration des performances de cette source, la chambre a été considérablement simplifiée donc fiabilisée: elle n'est plus constituée à l'heure actuelle que d'un tube ( diamètre 63mm, double peau pour la circulation de l'eau de refroidissement) et d'une flasque arrière. Le diamètre important côté injection de l'onde HF a permis de supprimer le cube d'injection de l'onde HF et son environnement, ainsi que le tube coaxial dont la température de fusion limitait la puissance qui pouvait être injectée à l,5kW. Les alimentations en ondes HF et en gaz sont maintenant faites directement au travers d'une simple flasque fixée à l'arrière de la source.

1 Introduction

Problématique

Des nombreuses installations de production-accélération d'ions radioactifs se développent à travers le monde et notemment en France, au GANIL (Grand Accélérateur National d'Ions Lourds) , avec le projet SPIRAL (Système de Production d'Ions Radioactifs Accélérés en Ligne).

Les ions radioactifs sont produits sous forme d'ions monochargés soit à partir de réactions nucléaires induites par un faisceau primaire de haute énergie, soit par bombardement d'une cible par des neutrons. Cependant, afin d'obtenir des faisceaux de plusieurs MeV par nucléon, il convient de transformer les ions monochargés issus de la source de production en ions multichargés. Il faut donc réaliser une opération de transformation d'état de charge lH-«i+, avec un double impératif de rendement maximal et de temps de réponse (durée totale de l'opération) minimal.

Les objectifs visés sont un rendement en particules de quelques pour cent et un temps de réponse inférieur à la seconde, compte tenu des faibles durées de vie de certains noyaux radioactifs.

L'obtention conjointe d'états de charge élevés et d'une intensité maximale du faisceau, nous ont conduits à faire le choix d'une source de type ECR (Electron Cyclotron Résonance) pour réaliser la transformation

Principe

II s'agit, fondamentalement, de réaliser la capture des éléments radioactifs, injectés sous forme d'un faisceau d'ions 1+, par le plasma d'une source ECR [1].

Une source d'ions monochargés permet de produire un faisceau d'ions 1+ à basse énergie (environ 20 keV) simulant le faisceau d'ions radioactifs ; celui-ci est alors transporté sur quelques mètres par une ligne optique basse énergie puis est injecté dans une source ECR de type MINIMAFIOS fonctionnant à 10 Ghz [2].

Les ions 1+ sont décélères électrostatiquement au sein de la source ECR. Après avoir franchi la barrière de potentiel du plasma, les ions incidents sont thermalisés par collisions ion-ion. Lorsque la vitesse des ions incidents est du même ordre que celle des ions du plasma ECR, ils sont alors capturés par le plasma. Us sont ensuite multi-ionisés pas à pais par collisions successives avec les électrons du plasma. Les ions multichargés sont enfin extraits de la source ECR pour êtres accélérés.

Dispositif expérimental

Le faisceau d'ions monochargé est extrait à 18 keV d'une source 1+ puis est analysé grace à un premier specromètre de masse. Un émittancemètre et une cage de Faraday permettent de caractériser ce faisceau 1+. Il est ensuite transporté et injecté dans la source ECR MINIMAFIOS à travers un tube au potentiel nul de diamètre o 28 mm. La source MINIMAFIOS est portée au même potentiel que la source 1+. Cependant, une alimentation additionnelle permet de varier légèrement le potentiel de MINIMAFIOS (AV) afin d'optimiser la capture par le plasma ECR des ions 1+ injectés. Le faisceau n+ extrait est ensuite analysé par un spectromètre de masse et son intensité est mesurée dans une cage de Faraday. Un schéma de la ligne de faisceau est représenté figure 1. Un spectre de répartition des états de charge du plomb (obtenu avec la source MINIMAFIOS) est donné figure 2. Dans ce cas, l'intensité du faisceau de Pb 1+ injecté s'élève à 210 nA. On remarquera que l'état de charge extrait le plus abondant est le Pb 22+ , ce qui est dépendant de la source n+ utilisée.

Dans le cas de l'argon, le rendement global vaut environ 40%, ce qui est proche du rendement obtenu si on injecte directement de l'argon gazeux dans la source ECR MINIMAFIOS [4]. Les très bons résultats obtenus pour les gaz rares s'expliquent par le fait que ces éléments ne collent pas aux parois froides. Lors du ralentissement électrostatique, les ions qui entrent en collision avec les parois de la source ECR, sont neutralisés par celles-ci mais sont aussitôt réémis pour être ensuite capturés par le plasma puis multionisés.

Au contraire, les ions issus d'éléments condensables entrant en contact avec une paroi froide y restent collés et sont définitivement perdus pour le processus. La capture par le plasma doit alors nécessairement se faire directement.

Temps de réponse

Pour déterminer le temps de réponse de la transformation H-m+ il suffit d'injecter un faisceau d'ion 1 + pulsé dans MIMMAFIOS. On obtient alors un signal n+ représenté figure 3 Les temps de réponse caractéristiques de la transformation H->n+ (quel que soit l'élément considéré) sont de l'ordre de 200 ms, ce qui est tout à fait satisfaisant devant les durées de vie des ions radioactifs (de Tordre de la seconde) que Ton se propose de multi-ioniser et d'accélérer.

Le mode puisé (mode ECRIT)

Les faisceaux d'ions radioactifs monochargés sont produits en continu notamment à cause du temps de diffusion des éléments radioactifs dans la cible de production. Il peut cependant être intéressant de disposer d'un faisceau d'ions multichargés puisé, dans le cas d'un accélérateur secondaire fonctionnant en puisé (i.e. : type LIN AC ou synchrotron).

C'est pourquoi, en modifiant radicalement le fonctionnement de la source ECR MINIM AFIOS, nous avons développé un nouveau mode: l'ECRIT (ECR Ion Trap) [5].

On injecte un faisceau d'ions 1+ continu; ces ions sont multionisés puis piégés dans le plasma de l'ECRIT; ils sont alors extraits brutalement en quelques dizaines de millisecondes par coupure de l'onde hyper-fréquence 10 GHz (mode afterglow [6]).

-10

10 20

Temps (ms) Avec un faisceau possédant ces caractéristiques, on obtient un rendement de transformation S 1+ ->-S 7+ de 2.3% et un rendement global rja =11%.

Perspectives et développements

Du fait des résultats expérimentaux obtenus avec la méthode 1+ -> n+, un grand intérêt est exprimé par les concepteurs des accélérateurs d'ions radioactifs. Les expériences qui ont permis d'établir les résultats précédemment présentés ont mis en évidence les limitations de notre dispositif expérimental, à savoir :

-un défaut de focalisation dans le plan vertical du spectromètre 90°.

-les limitations dues à la source MINIMAFIOS qui date de 1981.

-une méconnaissance de l'optique de faisceau permettant la capture des ions 1+ la plus efficace.

Afin de progresser dans la fiabilité, la souplesse, et la caractérisation de la méthode nous allons dès maintenant intervenir sur ces trois sujets.

5.1

Focalisation du spectromètre 90 ° (sélection 1+).

La modification de l'angle des faces polaires de 18 à 31 degrés va permettre de corriger la focalisation verticale du spectromètre. Un exemple de calcul effectué avec TRANSPORT est représenté Fig. 6.

Angle des faces polaires « 31 Deg.

Calcul de l'angle des poles de l'aimant a 90 Deg. Programme transport. Fig. 6 -Impact de la correction de l'angle des faces polaires sur le chromatisme du spectromètre.

5.2

Réponse aux limitations de la source MINIMAFIOS : la source PHOENIX.

Optique de ligne

Les gaz rares présentant un rendement 1+ -> n+ expérimental quasiment équivalent à l'efficacité de MINIMAFIOS en mode injection de gaz standard, il semble possible d'améliorer les résultats obtenus pour les ions métalliques en limitant au maximum les trajectoires ioniques menant aux parois. Pour cela, il est essentiel tout d'abord de connaître les conditions optiques qui ont permis d'obtenir les résultats établis jusqu'alors, pour ensuite, grâce à une méthode de calcul validée, calculer une optique de ligne permettant d'optimiser la capture directe du faisceau incident. Pour faire la démonstration théorique de la pertinence du procédé, un calcul a été fait en choisissant un nucléide à sélectionner, le 132 Sn très intéressant par son caractère particulier de noyau doublement magique. La Figure 2 montre la prévision de répartition de la production de nucléides à cette masse et la Figure3 la pression de vapeur des principaux éléments concernés.

Uot&' lu period* du 132 Sy\ esï de 4*) s.

Faisabilité théorique.

Partant des données précédentes il est possible de calculer et de comparer 1'evaporation de l'étain et le l'antimoine une fois condensés sur le transporteur et ceci à diverses températures (Figure 5). On y voit que la perte d'étain est acceptable jusqu'à une température d'environ 1000 K. La Figure 7 montre que l'élimination de l'antimoine devient intéressante pour des températures supérieures à 920 K. Il est alors possible de répondre positivement sur la pertinence de la méthode de sélection proposée. Toutefois, la difficulté à laquelle il faudra faire face sera le contrôle relativement précis de la température du transporteur puisque la bonne marge de température se situe entre 900 et 1000 K. Le jeu va maintenant consister à trouver une solution pratique avec un compromis acceptable entre les multiples paramètres thermiques, géométriques et temporels, sans oublier le choix des matériaux alliant la compatibilité chimique et thermique. Une solution possible a été trouvée à l'aide d'une modélisation avec un logiciel mathématique courant, appliquée à notre exemple. Le transporteur est constitué par un anneau plan tournant autour de son axe . L'une des faces de cet anneau reçoit le dépôt à purifier et à transporter. L'autre face est utilisée pour les échanges thermiques nécessaires au contrôle de sa température selon le cycle choisi représenté par la Figure 9. Ce cycle se termine par une phase de refroidissement pour redonner au transporteur sa capacité de capture des atomes produits par fission. L'évolution des phases de capture des atomes, puis de sélection et enfin de restitution, sont illustrées par la Figure 10 et la Figure 11.

Le graphite a été choisi comme matériau pour le disque à cause de sa relativement grande inertie chimique et de ses qualités mécaniques à haute température. Si l'on fixe à 20 mm les ouvertures du creuset et de la chambre d'ionisation, le rayon moyen de l'anneau ferait 47 mm, sa largeur 25 mm et son épaisseur 2 mm. Sa vitesse de rotation serait de 1 tour en 140 secondes. L'espacement d'axe en axe des ouvertures du creuset et de la chambre d'ionisation serait de 60 mm. Mécaniquement, la chose ne présente pas de difficulté. 3). Les simulations à l'aide du logiciel HFSS confirment cette hypothèse . Les simulations magnétiques ont permis de déterminer avec précision les positions optimales des aimants permanents (fig. 4).

Le plasma a été caractérisé à l'aide d'une sonde électrostatique mobile et d'une fibre optique également mobile permettant l'analyse spectroscopique d'émission sur un diamètre. Enfin, un collecteur mesure la distribution radiale du faisceau à l'émergence (fig. 5). Une simulation numérique de l'évolution du profil du faisceau permet de déterminer la distance optimale canoncible (fig. 6).

La figure 7 montre les courants extraits en fonction de la puissance microonde pour deux pressions de fonctionnement.

En conclusion, on donne ci-dessous les caractéristiques principales du canon pour un utilisateur :

-densité du courant de lmA/cm2 à 500W et 1000 V; -faisceau homogène à 5 % sur un diamètre de 100 mm; -utilisation de tous les gaz réactifs; -durée de vie très élevée liée seulement à l'usure des grilles.

GRENOBLE, 38026 GRENOBLE CEDEX, FRANCE

e-mail : sortais@isnhp7.in3p3.fr

Abstract -ECR ion sources were originally developed for high energy physics applications. They are used as injectors on linear accelerators and cyclotrons to further elevate the particle energy via high charge state ions. This technique is well suited for sources placed on a high voltage platform where AC power available is limited by isolated transformers. The PANTECHNIKs family of ion sources with its wide range of ion beams (various charge states with various beam currents) offers new possibilities and perspectives in the field of ion implantation. In addition to all these possibilities, PANTECHNIK ion sources have many other advantages like: a very long life time without maintenance expense, good stability, efficiency of ionisation close to 100% (this improves the life time of the pumping system and other equipment), the possibility to produce ion beams with different energies and a very good reproducibility. A new MeV ion accelerator was jointly developed by

SPECTRUM SCIENCE an American firm and PANTECHNIK, using an ECR ion source. Ar 11+ ions are produced on a 200 kV platform.

I -INTRODUCTION

In parallel with the development of very high performance devices, corresponding to long term studies with a heavy technology (high power or super conducting devices) we observe a growing demand for the use of ECRIS with medium performances in special environments, like high voltage platforms [1], Van de Graaf terminals [2]. In order to get an operational production system of multicharged ions [3], we focus our effort on the development of cheap and reliable ECRIS for medium current multicharged ions or high current of low or monocharged ions.

II -NANOGANIOGHZ

A. Structure and power consumption

The ultra compact ECRIS, NANOGAN™ has been developed at GANIL in order to be used as a high gas efficiency ioniser for low lifetime gaseous radioisotopes [4], The body of the source is reduced to a simple cylinder of 130 mm in diameter and 220 mm in length.

The ECR3-like magnetic structure is made of 5 slices of FeNdB permanent magnets. This field defines the minimum B| magnetic structure inside a 0 26 mm plasma chamber. Around this plasma chamber a multipolar permanent magnet defines the radial field. The UHF coupling is made through a rectangular to coaxial wave guide transition where the inner conductor is a 0 6-8 mm copper tube (fig. 1). The extraction system is made of a simple mono electrode coupled to an Einzel lens.

B. Multicharged ions production

It is now possible to produce all the spectra of Ar charges inside a 0 26 mm plasma chamber and for a total installed electrical power lower than 100 W. We can observe that a maximum current of 65 |j.Ae of Ar is obtained with 60 W / 10 GHz (fig. 2) and up to 10 uAe with only 1 W (fig. 3). Optimisation for low charge state operation is also possible and generally very low power consumption down to some W is enough to extract 1 mAe of monocharged ions (1.7 mA of He with 20 W (fig. 3), depending strongly on the extraction system) or to maintain the production of O corresponding probably to some nAe of O By reducing the dimensions of the source we have shown that the volume of the plasma is not a critical parameter for the source performances. The most important technological aspect is the reduction of the UHF power level down to some W for the production of multicharged ions (fig. 5). This means that we can drive ECRIS with new transmitters like solid state or TWT so as to simplify the installation of multicharged ECRIS in high voltage environments. SuperNanogan has been designed in order to be used as injector of high charge state ion on a 200 KV high voltage platform for the ISL cyclotron from HMI [5]. The source and its magnetic parameters are quite closed to the ECR4 one except the diameter of the plasma chamber that is reduced to 44 mm in place of 66 mm [6] (Fig. 1) . The useful length of the magnetic mirror is 15 cm, so in this way it is possible to limit the weight of the magnet to roughly 120 Kg (Table I). The UHF injection system uses a coaxial geometry similar to the ECR4 one and has been tested with a 200W/TWT transmitter working between 8 to 18 GHz and a 2.0 KW klystron at 14.5 Ghz. The standard Ar tests performed with the 14.5 GHz klystron show very characteristic high performance results. We can see (Fig. 2) that we can produce up to 24 |iAe of 40Arl2+ (2 | LiAe of 40Arl4+) and 6.5 |j.Ae of 129Xe25+ , so the total current extracted from the source and the average Z of the ion is comparable to the ECR4 one and some other high performance machines (Fig. 4).

These results are obtained for 300 to 450 W of UHF power at 14.5 GHz that is roughly two times less than for ECR4. Like observed with Nanogan 10 GHz by respect to ECR3 [1], this ratio of power consumption is for a given magnetic profil proportional to the volume of the plasma chamber.

These preliminary results are done with noble gas but the source can work without any change with standard implantion gas as BF3,PH3 or AsH3. In this case we can see (Table II) what could be the reacheable current/energy compromise for production of high energy beam.

The Microgan source has been specially optimised for the production of low charge state, so the source can work with a very simplify magnetic structure and low magnetic field (Fig. 5).

We have maintain a operating frequency of 10 Ghz and a very small plasma chamber in order to minimise the power consumption. The source can work with different magnetic profile in order to produce pure monocharged ion spectrum or reoptimise a simplify minimum B magnetic structure in order to maintain the production of low charged ions.

Preliminary tuning with BF 3 gas (Fig. 6), shows that it is possible to produce typical currents of a standard Freemen ion source, but here without any lifetime limitation. These currents are presently limited by the main power supply (40KV/5 mAe) and the acceptance of the beam line (100 p.mm. mrad). The tuning of the source with Hydrogen and a large acceptance beam line (300 ji.mm. mrad, Fig. 7) show that its possible to extract up to 15 mAe of the source with 70 % of transmission (up to 7 mAe of H+ at 28 KV).

Currents up to 30 mAe have been extracted with a new matching of the beam with the introduction of a solenoid in place of the einzel lens (Fig. 7 and 10). It is also possible, and without any change of the source, to maintain the production of multicharged ion of Ar like 4+, 6+ or 8+ (Fig. 9). Typical currents above several milliamperes of B,P and As ions seem very achievable, so it means that it is possible now to replace, in the same environment the old Freeman/Bern as ion sources by more modern and reliable ECR sources. By the use of the knowhow accumulated in the field of ion source for particule accelerator it is now possible to design, simple various ECR ion sources. These machines are extremely reliable (for exemple the CERN/Geneva ECR4 ion source can produce Lead ions during several months without any maintenance) and also very compact in order to install it on implantation devices without major modification of the environment. Nanogan can be used as a general purpose machine, SuperNanogan as a way to produce MeV beam without high voltage machine and finally Microgan, as an alternative without maintenance to Freeman/Bernas ion sources.

Introduction

La génération des grands tokamaks ( type JET, TFTR, JT 60) utilisent avec succès l'injection d'atomes neutres de moyenne énergie (100 keV) avec des puissances de l'ordre de 20 à 30 MW. Ceux ci sont produits à partir d'ions positifs qui se transforment en atomes neutres par échange de charge sur une cible gazeuse. Pour les tokamaks de la prochaine génération (ITER par exemple), les dimensions du plasma seront telles qu'une énergie des atomes neutres de 1 MeV sera nécessaire. Les ions positifs ayant un très mauvais rendement de conversion à ces énergies, il sera nécessaire de produire des ions négatifs de deuterium qui ont un rendement de neutralisation acceptable (~ 60 %) quelque soit l'énergie et l'efficacité électrique totale sera de 40 à 50 %. Pour ITER, il est prévu 3 injecteurs à 1 MeV de 16 MW chacun pendant 1000s , ce qui nécessite l'accélération de 40 A de D. à 1 MV par injecteur. Dans cette présentation, nous évoquerons l'état des recherches sur les grandes sources et leurs problèmes, l'état des recherches sur l'accélération à forte tension et nous présenterons quelques réalisations de grande puissance.

Etat des recherches sur les grandes sources d'ions négatifs deuterium

Aujourd'hui, une source d'ions D. pour application à la Fusion thermonucléaire demande des spécifications très précises : Elle est de volume métrique, multifilaments et la préaccélération du faisceau est obligatoirement réalisé à l'aide d'un système multitrous à 3 grilles ( électrode plasma, électrode d'extraction (qq kV) et électrode de préaccélération (50 à 100 kV)) avec une transparence de l'ordre de 0.4. Elle doit extraire sur une grande surface (fig 1), une densité de l'ordre de 20 mA/cm2 avec une pression de fonctionnement la plus basse possible (inférieure à 0.2 Pa) pour éviter un trop fort épluchage des ions négatifs dans l'accélérateur. Le fait qu'elle doive travailler à basse pression oblige à concevoir une source à bon confinement magnétique (type multicusp ou équivalent) avec un filtre magnétique transverse à l'extraction pour éviter une trop forte extraction d'électrons (rapport Ie/ID-<1). De ce fait ce type de source sera nécessairement une source à très fort taux de protons. L'addition de césium avec un flux contrôle de l'ordre de 20 mg/h est nécessaire pour obtenir la densité de 20 mA/cm2 avec des puissances d'arc de l'ordre du kW/1. Par rapport à la production en volume, le gain en densité peut être de l'ordre de 6 à condition que la température de la grille plasma soit maintenue à une température de 300 °C . La grille plasma étant maintenue en température par le rayonnement de l'arc (3000 A*55 V), il est nécessaire de maintenir sa température constante pendant 1000 s. Deux prototypes de grille plasma ont été testés et semblent donner toute satisfaction (fig 2). Des impulsions de 1000 s ont été réalisées ainsi que l'extraction de 20 mA/cm2 de D-(1.4 A au total) pendant 120 s. (fig 3). L' homogénéité verticale est perturbée par les dérives dues au gradient de B du filtre magnétique et par la présence de E*B du à la polarisation de la grille.(fig 4) . elle peut être corrigée dans les grandes sources par une possible modulation des courants filaments. Après l'injection de 0.6 g de Cs, l'effet de température de la grille plasma est évident (Fig 5).

Etat des recherches sur les accélérateurs électrostatiques à forte tension (300 kV à 1 MV)

Pour une raison d'efficacité électrique, l'accélération est du type électrostatique continue. Une alimentation électrique (1 MV, 40 à 50 A) est connectée à un système d'accélération multi-électrodes (MAMUG)(fig 6) ou à un seul étage (SINGAP)(fig7). L'alimentation doit supporter les fréquents claquages de court circuit durant le conditionnement de l'accélérateur avec un temps d'interruption inférieur à 0.1 s et doit limiter le courant de court circuit à moins de 2 kA. Chaque système a fonctionné à faible courant (0.1 A) jusqu'au MV pendant quelques secondes et à fort courant (> 15 A) à 300 kV pendant 2 s. Les problèmes rencontrés avec ces accélérateurs sont dans le cas de MAMUG une difficulté de pompage dans l'accélérateur avec les pertes supplémentaires sur les grilles dues aux électrons. ÇINGAP , de ce point de vue est plus intéressant car le pompage est plus efficace et la réalisation mécanique moins coûteuse. Cependant il doit faire ses preuves à plus forte densité et à plus fort courant.

Réalisation de grands systèmes pour la Fusion.

A ce jour, seuls les japonais ont développé des systèmes d'injection de neutres basés sur ces principes et connectés au tokamak JT60 (JAERI) ou au stellarator (LHC) (NIFS).

Dans le cas de l'injecteur de JT 60 (nominal 20 A D o , 500 kV avec 2 sources), ce système associe une source KAMABOKO, un accélérateur MAMUG à 3 étages , un neutraliseur à gaz de 11 m et un déflecteur magnétique des ions D. non neutralisés et des ions D. produits. Une puissance de neutres de 5.2 MW a été injectée avec deux sources à 320 kV pendant 1.9 s (Fig 8). La limitation en temps est due à une très forte charge thermique des grilles qui peut être causée par une non uniformité des sources, une mauvaise maîtrise de l'optique des sous faisceaux, des électrons parasites accélérés ou un mauvais transport des ions D. entre l'accélérateur et le neutraliseur ou une zone de pompage est obligatoirement aménagée. Dès maintenant, avec ce type de faisceau, JT 60 a montré des résultats intéressants. Des progrès substantiels doivent être menés pour améliorer la transmission de l'accélérateur Par contre , le rendement de neutralisation s'avère conforme aux prédictions (55 %).

Dans le cas des injecteurs pour le LHC qui utilisera aussi 2 injecteurs, les puissances nominales seront 40 A par source de EL à 200 kV pour une puissance totale de 10 MW de Ho pendant 10s. Les injecteurs ont été testés et plus de 25 A de H. ont été extraits 3.7 MW à 100 kV.

Enfin, dans le cadre des études sur ITER, un principe d'injecteur a été proposé (Fig 6) tenant compte des contraintes propres à ITER (environnement très hostile du au tritium et aux neutrons) et la nécessité d'incorporer les injecteurs au cryostat pour réduire les dimensions hors tout de la ligne et donc en fin de compte de réduire le coût.

Conclusion

Aujourd'hui, nous pouvons considérer que les injecteurs à base d'ions négatifs ont démontré leur crédibilité pour le chauffage et la génération de courant dans les machines de Fusion. Des progrès restent à accomplir dans le domaine de l'homogénéité des grandes sources et dans la transmission de l'accélérateur. Toute tentative de réduction des coûts est aussi à encourager. A set of stainless steel disks act as thermal bridges between the grid and copper cooling tubes traversing the grid. Un autre résultat qui confirme la réduction de la densité relative d'ions négatifs en présence de xénon est présenté sur la Figure 2: le rétablissement de la densité d'ions négatifs après une impulsion laser, dans l'expérience à deux lasers, destinée à la mesure de la température des ions négatifs dans la region d'extraction. On y compare le cas de l'hydrogène pur, à celui du mélange hydrogène-xénon. On peut noter le bon accord du rétablissement dans le cas du mélange avec les prédictions de la théorie balistique 2 . Nous avions observé une forte anomalie de ce rétablissement dans l'hydrogène pur 3 . Plus récemment nous avons observé que l'adjonction de césium augmentait cette anomalie 4 , en même temps qu'elle augmentait la densité relative d'ions négatifs. L'explication de ces effets réside dans la formation de champs électriques autocohérents au moment du photodétachement, champs qui conduisent aux déviations par rapport à la théorie balistique. Distribution des états de charge de l'argon lorsque la source est optimisée sur 17+ 4.3 10' 5 mbar 3.4 10" 5 mbar 3 10" 5 mbar rf power (Watt)

Cs Inlet

Gas Inlet

Si le processus de pertes était seulement les collisions, on s'attendrait à un temps de vie de l'énergie beaucoup plus grand que celui observé, car :

T T.

pour un transport purement collisionnel.

Il existe donc un mécanisme de pertes beaucoup plus important que les seules collisions

Interprétation et modélisation.

Ce ne sont pas les collisions coulombiennes qui gouvernent le transport des électrons. En effet :

1. étant donné l'anisotropie très forte de la fonction de distribution électronique on devrait avoir un temps de vie de l'énergie beaucoup plus grand que celui des particules.

2. les pertes d'électrons par collisions les amenant dans le cône de pertes ne suffisent pas à expliquer la saturation de la densité et des performances des sources ECR.

C'est Tinteraction HF elle-même qui limite les performances des sources :

m -= q (E + vxB) et B =à la résonance cyclotron la vitesse de phase décroît fortement et l'interaction avec le champ magnétique devient dominante. On ne chauffe plus, le champ magnétique précipite les électrons dans le cône de pertes (phénomène diffusif dans l'espace des vitesses).

On peut modéliser les phénomènes par une équation de diffusion (FP): Mesure des raies : dès 10 watts on voit la Ka, signe que l'on a tout de suite des électrons très énergétiques ( > 3 keV). Avec l'augmentation de puissance on voit apparaître les raies des ions très chargés (NB : les ions de 1 à 8 ne peuvent pas être distingués du neutre car le déplacement de la raie est trop faible). Charge state

I 16

On observe que le temps de vie augmente avec la charge, semble-t-il linéairement.

Interprétation, modélisation.

Le temps de vie des ions mesuré ici est tout-à-fait conforme aux autres mesures effectuées antérieurement (ordre de grandeur du temps de vie en régime multichargé : 1 ms environ).

On La source et la ligne de transport permettant l'analyse du faisceau ont été décrites précédemment [2]. Dans cet exposé, nous insisterons plus particulièrement sur les expériences et les résultats obtenus au cours des derniers mois. Notamment la réduction de remittance en injectant des gaz lourds dans la ligne de transport reste à expliquer mais permettrait d'ores et déjà d'injecter le faisceau dans de bonnes conditions dans la suite de l'accélérateur. Nous présenterons aussi les premiers tests du rendement en protons en fonction de la position de la zone ECR dans la chambre plasma et les résultats concernant la fiabilité. Pour conclure, nous présenterons les futures expériences actuellement prévues.

Résultats des dernières mesures

1-Réduction de remittance L'un de nos buts est de valider les codes de calcul en comparant les simulations et l'expérience. Nous pouvons faire ces comparaisons en ligne, avec le code Axcel pour l'extraction et le code MurtiPart pour le transport. Les résultats obtenus il y a deux ans montraient une bonne concordance [3] mais le faisceau était trop grand à la sortie du système d'extraction et le rendement dans la ligne de transport chutait dès que l'intensité extraite dépassait 65 mA.

Une augmentation du champ électrique dans les deux gaps accélérateurs a permis de diminuer le diamètre du faisceau à l'extraction et donc d'accroître le rendement de transmission dans la ligne. Et là, les codes ont divergé par rapport à la réalité. La première idée a été : la compensation de charge d'espace due à l'ionisation du gaz résiduel est moins forte que précédemment. Pour vérifier cette hypothèse, nous avons augmenté la pression dans la ligne de transport en y injectant de l'azote et ... remittance du faisceau s'est nettement améliorée.

Pour essayer de mieux comprendre cette diminution, nous avons renouvelé l'expérience en faisant des mesures systématiques avec différents gaz (H 2 , N 2 , Kr, Ar) à différentes pressions. Nous avons également changé la position de la vanne microfuite et fonctionné pour trois valeurs de solénoïde. La grande majorité des mesures a été effectuée à 120A (soit 1720 Gauss) et quelques unes l'ont été à 116 et 124A.

Précisons que toutes les mesures rapportées ici ont été faites avec un faisceau de 75 mA à 95 kev (88% de protons), extrait à travers un trou de 8 mm de diamètre. Le filtre de Wien placé derrière l'échantillonneur (trou de 0.2 mm analysant le faisceau sur un diamètre) permet de ne mesurer que remittance des protons (dans le plan r-r').

Les principaux paramètres de fonctionnement ainsi que ceux qui ont permis d'extraire le maximum de faisceau avec un trou de 8 mm, sont reportés dans le tableau suivant Parameters Total beam current (mA) Proton fraction (%) Le même comportement a été observé sur les mesures effectuées (avec et sans injection d'Ar) pour les deux autres valeurs de champ magnétique. Par contre, sans injection de gaz, la valeur de remittance varie en fonction du champ magnétique.

Une mesure de l'intensité en fonction de l'addition des différents gaz a montré que les pertes par neutralisation (recombinaison) sont limitées à 5% pour un gain important de remittance en injectant du Krypton ou de l'Ar et de près de 15% avec l'Azote ou l'Hydrogène.

Ces observations entraînent un certain nombre d'interrogations : est-ce un effet de cooling, une modification de la compensation de charge d'espace, un changement des conditions plasma avec un apport de quelques ppm d'atomes lourds dans la source ou autre ?

2-Proportion de proton

Lors d'une visite à Saclay, C. Jacquot du DRFC/CEA-CADARACHE a dit que SILHI paraissait être un bon candidat pour la production d'ions H" car elle fournit un bon faisceau d'ions positifs avec un fort rendement en protons. Pour mieux comprendre ce rendement, nous avons mesuré l'intensité totale extraite et le rendement, en travaillant avec une seule zone ECR et en la déplaçant dans la chambre plasma (la seconde zone ECR se situant au-delà du trou d'extraction). Nous avons gardé une extraction à 95 kV avec l'électrode intermédiaire à 39 kV. Les seuls paramètres que nous ayons changés en plus du courant dans les bobines de la source sont la pression pour minimiser le bruit du faisceau et la puissance RF pour augmenter l'intensité extraite. Fig. 3: Rendement en Protons en fonction de la position de la zone ECR dans la chambre plasma La figure 3 montre que l'influence de la position de la zone ECR est très pointue pour le rendement en protons mais encore plus sur l'intensité du faisceau extrait. En effet, l'intensité diminue fortement pour un déplacement de 8 mm alors que la fraction de protons ne baisse que de 5.7 %. Nous avons noté qu'en rapprochant la zone ECR de l'électrode plasma, le rendement en protons remonte légèrement par contre l'intensité du faisceau extrait devient très instable.

Rendement en Protons vs position de la zone ECR

Nous avons aussi produit un faisceau de 100 mA (rendement de protons = 80 %) avec seulement 350 W de puissance RF injectée en ajustant le courant dans les bobines pour obtenir une zone ECR à chaque extrémité de la chambre plasma.

4-Test de fiabilité

Avec un trou de 10 mm de diamètre, un faisceau total de 100mA à 80 keV a été extrait pendant une semaine de fonctionnement continu (103 heures) avec une disponibilité de 95 % (Fig. 4).

Ce test a mis en évidence une période de formation au cours des premières 24 heures et un temps moyen entre deux arrêts de 5 H 33 mn pour les quatre derniers jours. Le temps moyen d'intervention a été de 4 mn 44 s si on excepte les deux pannes longue durée dues à des coupures d'air comprimé. Des progrès sur l'automatisation des redémarrages et sur la compatibilité électromagnétique ont permis de minimiser le nombre de claquages et le temps d'intervention.

Conclusion

Les performances obtenues depuis le démarrage de la source (juillet 96) sont au plus haut niveau international et très proches des conditions requises pour injecter dans un accélérateur fort courant. Nous essayons d'optimiser un nouveau système d'extraction pour minimiser la divergence du faisceau dès la sortie de la source. Une disponibilité de près de 98 % avec un faisceau total de plus de 110 mA et un rendement supérieur à 90% doivent être atteints : c'est un objectif prioritaire. Le développement d'une mesure d'émittance non interceptive basée sur la méthode des trois gradients et l'analyse des profils issus d'une caméra CCD [4] est prometteur et sera poursuivi.

Une ligne d'analyse avec deux solénoïdes et une nouvelle boite de diagnostics sont actuellement installées pour caractériser le faisceau dans les conditions d'entrée du RFQ.

Une mesure de la compensation de charge d'espace avec un analyseur à quatre grilles développé à Los Alamos permettra de répondre en partie sur le phénomène de réduction de remittance. Des études sur la "décompensation" en collaboration avec l'université de Francfort seront également entreprises dans les prochaines semaines.

Pour des projets comme Trispal ou le démonstrateur des réacteurs hybrides qui demandent un faisceau de protons avec une intensité réduite, SILHI peut déjà répondre à l'ensemble des caractéristiques requises.

Après le déménagement complet de l'installation au début de l'année 1998, des performances identiques ont été obtenues en moins de trois semaines ; nous serions donc capables de construire et démarrer une nouvelle source en cas de besoin.

E-MAIL

lean.Auberl@iet.uisud.fr bacal@lpmi.polytcchn que. I V iaron@ganil.fr larué @ ganil.fr pantechnik@compuser ve.fr Bruandet@isn.in2p3.fr cassimi@ganil.fr Charles @lpan.jussieu.f r nicolaschauvin@isnin 2p3.fr chesnelspalp255.ismra . IV Philippe.Coste@iet.upsucl.fr coltereau@ipno.in2p3. I V dantal@pmi.polytechn iquc.fr odelfenïèrc@cca.fr dellaney@ipno.in2p3.l r

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1jouadi @cluny .ensam. r lupuis@&anil.fr llambard@ganil.fr louant «an il.fr rremont&spalp255.is mra.fr ",aubert@ganil.fr agirard@cea.fr rgobin@cca.fr »uereau@ganil.fr dhil/,@cea.fr hu.miet@ganil.fr husson@spalp255.ism ra.fr jacol@bruyeres.cea.fr jacquet @spalp255.ism ra.fr

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ardin@ganil.fr <hem.lich@lcain.u-psud.fr îkucal @spalp255.isnu i. IV mla@ccr.jussieu.fr Iamy@isn.in2p3.fr landre@ganil.fr Iecler@spalp255.ismra . IV lcherissicr@ganil.fr Lemagncn@ganil.fr ilemaire@bruyeres.cea fï paleroy@cea.fr leroy@ganil.fr lieuvin@ganil.fr loyer@ganil.fr maunoury@bruyeres.c ea.fr ginclin@cca.fr meunier@csnsm.in2p. : .IV moscatel lo @ «an i 1. IV

SUJET

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pacquet@ganil.fr ataud@ganil.fr robert.rebmeister@ires .in2p3.IV' msstlaurent@ganil.fr Christian. Schwebel@iet.upsud.fr sortais @isnhp3.in2p3. fr tirel@ganil.fr villari@ganil.fr

  des particules chargées dans une source ECR, expériences, théorie Interface plasma-faisceau dans les sources d'ions : résultats de simulations numériques Amélioration de remittance du faisceau extrait de la source SILHI Discussion et organisation des prochaines journées sources d'ions Repas Visite des installations G. MELIN (DRFMC-SI2A -Grenoble) J.L. LEMAIRE (DIF-DPTA -Bruyères Le Chatel) R. G0B1N (CE -Saclay) R. GOBIN (CE -Saclay)

[

  '] SPIRAL : A Radioactive Ion Beam Facility at GANIL, A. Joubert and AL, Part. Ace. Conf. -Washington, USA, 17-21 mai 1993 [ 2 ] Metal Ions from the Volatile Compounds Method for the Production of metal Ion Beams, H. Koivisto, J. Arje, K. Nurmia, Proceedings : 7th International Conference on Ion Sources ,7-13 septembre 1997 -Taormine, Italie p 785 [ 3 ] Utilisation de la source SuperShypie, D. Leclerc and AL, Journées Sources d'Ions GANIL 99 \Z Utilisation de la source d'ions "SUPERSHYPIE" pour des études de collisions à basse énergie ion-atome et ion-molecule FR9903400 V.Bazin, P. Boduch, J.Y. Chesnel, F. Frémont, D. Lecler -CIRIL J.Y. Pacquet, G. Gaubert, R. Leroy -GANIL Depuis 1990, les recherches utilisant les sources d'ions ECR 3 (10 GHz), ECR 4, ECR 4M, NANOGAN II et "SUPERSHYPIE" (14,5GHz) du GANIL ont été menées par 4 laboratoires de Physique Atomique principalement par le Laboratoire de Spectroscopie Atomique (LSA-ISMRA) et par le Centre Interdisciplinaire de Recherche avec les Ions Lourds (CIRIL) regroupés cette année en Centre Interdisciplinaire de Recherche Ions Lasers.

  et comparé à celui de ECR 4M. L'électrode plasma d'ouverture 10 mm et l'antenne HF coaxiale sont positionnées comme indiqué sur la figure. L'électrode plane d'extraction de diamètre 43 mm a une ouverture de 20 mm, sa distance par rapport à l'électrode plasma est réglable de 10 à 60 mm.

  fig.1 -BI1200A -BE 1000 A

  fig.2

5 II

 5 fig.3

h

  Utilisation de la source d'ions "SUPERSHYPIE" pour des études de collisionsàjaasse énergie ion-atome et ioinnolecule \) V.Bazin, P. Boduch, J.Y. Chesnel, FJFfemont, D. Lecler -CIRIL J.Y. Pacquet, G. Gaubert, R. Lerov^GANIL Depuis 1990, les^fecherches utilisant les sources d'ions ECR 3 (10 GHz), ECR 4, ECR 4M, NANOG^N II et "SUPERSHYPIE" (14,5GHz) du GANIL ont été menées par 4 laboratoires de Pnysique Atomique principalement par le Laboratoire de Spectroscopie Atomique (LSA.-ISMRA) et par le Centre Interdisciplinaire de Recherche avec les Ions Lourds' (CIRIL) regroupés cette année en Centre Interdisciplinaire de Recherche Ions Lasers.

  fig.1 -BI1200A -BE 1000 A

  fig.2

5 II

 5 fig.3

Figure 1 -

 1 Figure 1 -Efficacité de diffusion en fonction de la température pour différentes tailles de grain de carbone (l'efficacité a été mesurée pour des grains de 4 et 15 jxm et a été estimée pour des grains de 1 \im).

Figure 3 -

 3 Figure 3 -Spectre d' ™Ar réalisé lors de tests en ligne sur SIRa avec une cible à 2000 °C.

  primaire

Figure 4 -Figure 5 -

 45 Figure 4 -Ensemble cible-source MONOLITHE Nous n'avons pas encore obtenu de résultats expérimentaux en ligne avec un faisceau radioactif mais seulement des premiers tests hors ligne réalisés pour

Références[

  ISO-99] B. Jonson and A. Richter, More that three decades of ISOLDE Physics, CERN-EP-99-040. [MAU-98] L. Maunoury et al., Production de faisceaux d'ions radioactifs multichargés pour SPIRAL : Etudes et réalisation du premier ensemble cible-source, thèse de l'Université de Caen, Novembre 98. [SPI-94] The SPIRAL Radioactive Ion Beam Facility, G ANIL Report R 94 02 (1994). [TAM-97] C. Tamburella et al., Production of multicharged radioactive ion beams : the 7+ to ncharge state transformation for the Production, Ionisation, Acceleration de Faisceaux Exotiques project. Review of scientific Instrument, Vol 68, No 6, June 1997.

  Emittance L'émittance obtenue dans le cas d'un faisceau d'He + d'une intensité de 300uA accéléré à 14kV est donnée ci dessous. Outre le fait que le faisceau soit de symétrie totalement cylindrique, on observe que le faisceau est quasiment Journées Sources d'Ions, 18/19 Mars, Ganil, CAEN parallèle bien que les 300|lA d'He + soient extraits au travers d'un trou de 4,5mm (l,9mA/cm 2 ). Le faisceau de 300(iA est compris dans une émittance de 40 n mm.mrad. % courant ds ellipse après seuil Evolution immédiate La source Mono 1000 est un prototype, et a pour cette raison été réalisée à partir d'une structure magnétique "d'occasion". Si le même principe magnétique est utilisé, mais que la structure magnétique est adaptée de façon à ce que le volume plasma soit important et proche du volume de la chambre, on obtient la source baptisée Mono 300, donnée sur la figure ci dessous. Par rapport à Mono 1000, le volume externe a été réduit d'un facteur 6 alors que son volume plasma n'a été réduit que d'un facteur 1,7 , son poids d'un facteur 3 et son coût d'un facteur 2 (voir tableau ci dessous). Le nombre de pièces a lui aussi été diminué, augmentant ainsi la fiabilité et la simplicité des éventuelles opérations de 2.B

FIG. 1 -

 1 FIG. 1 -Le dispositif expérimental

FlG. 2 -

 2 Distribution des états de charge du plomb pour un faisceau d'ions Pb 1+ injecté de 210 nA.

4. 2 FIG. 5 -

 25 FIG. 5 -Emittance horizontale d'un faisceau de S l+ à 18KeV

-Fig. 7 -Fig. 8 -

 78 Fig. 7 -Source PHOENIX BOOSTER.

FR9903404CSNSM

  Principe et hypothèses de base.Le dispositif proposé va un peu plus loin dans ce sens en cherchant cette fois à favoriser les éléments à moyenne ou faible volatilité. Ce dispositif s'intercalerait entre deux organes : le creuset contenant la cible où sont créés les nucléides recherchés et la chambre d'ionisation à partir de laquelle le faisceau prend naissance (Figurel). Son rôle va être d'assurer un transport sélectif des nucléides entre ces deux organes. Il utilisera la différence de volatilité des éléments pour parvenir à la sélectivité souhaitée.

Figure 3 .Figure 4 .

 34 Figure 3. Pression de vapeur des isobares de 132 uma en fonction de la température (K).pression de vapeur en fonction de la température, de calculer un taux d'evaporation des atomes de surface. D'un point de vue probabiliste, ce taux joue un rôle similaire à celui de la constante de désintégration de noyaux radioactifs : c'est la probabilité pour un atome de surface de s'évaporer à une température donnée. Le résultat du calcul de ces taux est donné par la Figure4pour l'étain et l'antimoine.

Figure 5 .

 5 Figure 5. Efficacité du transport de l'étain selon la durée en secondes à diverses températures.

Figure 7 .Figure 6 .Figure 8 .Figure 9 .

 7689 Figure 7. Concentration relative de l'antimoine sur le transporteur en fonction du temps en secondes, à diverses températures.

Figure 10 .Figure 11 .

 1011 Figure 10. Evolution comparée des flux de 132Sn et de 132Sb captés par le transporteur au cours du cycle, rapportés aux flux produits.

Fig. 1 :

 1 Fig. 1 : procédés utilisant des faisceaux d'ions.

Fig. 2 :Fig. 3 :

 23 Fig.2: vue 3D de principe de la structure étudiée.

Fig. 7 :Fig. 6 :

 76 Fig. 7 : caractérisation du courant extrait en fonction de la puissance microonde injectée. Vs=500 V, Va=-200 V.

Figure 1 :

 1 Figure 1 : Schematic view of the NANOGAN™ 10 GHz ion source

Figure 3 :

 3 Figure 3 : NANOGAN™ 10.0 GHz : He spectrum produced with 20 W

Figure 4 :

 4 Figure 4 : Fully permanent magnet source SuperNanogan 14.5 GHz

Figure 5 :

 5 Figure 5 : SuperNanogan 14.5 GHz : Ar spectrum optimized for the charge 8+ (320 jiAe)

re 5 :Figure 6 :

 56 Figure 6 : Microgan 10 GHz : Boron spectrum optimized for B+ 1.14 mAe (.92 mAe n B + 0.22 mAe 10 B / 40 KV

  magnet (arbitrary unit) 350 400

Figure 7 :Figure 8 :Figure 9 :

 789 Figure 7 : Microgan 10 GHz : H 2 spectrum optimized for H + (7 mAe / 28 KV with Einzel Lens and 9 mAe / 40 KV with Solenoid)

Filament

  Fig 1

Fig 3 1

 3 Fig 3

FR9903408

  Fig 2

Références. 1 .Figure 1 .Figure 2a ./

 112a Figure 1. Rapport n./n e en fonction de la polarisation de l'électrode plasma, V b , dans H 2 et dans le mélange H 2 + Xénon. La pression est 3 mTorr, la décharge 50 V -50 A, la polarisation de la sone 50 V.

FC schéma de 1 ' 2 /

 12 expérience : C1-C2 : bobines ; P1-P2-P3 : pompes ; FC : Cage de Faraday ; A.M. : aimant d'analyze ; P : plasma ; PE : électrode plasma ; EE : électrode d'extraction ; I : isolant ; EA : analyseur (électrons, ions); DL : boucle de diamagnétisme. L'interféromètre 63 GHz mesure la densité le long de la corde. On a accès à: densité électronique courant électronique contenu énergétique potentiel plasma et courant électronique Résultats :La densité électronique augmente rapidement avec la puissance et sature ensuite.Les ions deux fois chargés sont produits préférentiellement dans le régime à fort contenu énergétique et faible pression :Le courant électronique augmente avec la puissance et la densité de gaz neutre. diminue donc quand la puissance augmente et lorsque la pression de gaz neutre augmente.Le temps de vie de l'énergie électronique, x Tei a le même comportement et une valeur à peu près identique (quoiqu'un peu supérieure).T -' PTemps de vie de l'énergie des électrons, T Te

2 e

 2 (ID en vitesse, OD en espace) a montré un accord qualitatif. Une modélisation 2D en vitesse a montré un accord quantitatif. Une loi d'échelle se déduit de l'étude : (n T) <n me 2 n = \ n e 1 e)max ~ n c m e C ' n c • 'e-'-e/max -ll c " l e^ ' 'V ~ Transport des ions.

  r-'( I r^ 1 i r i | r i-i i "pviTT'i T i 1 T i [ i i~i r ] i"T~» I' | ' r i-i i j i i i i

Fig. 1 :

 1 Fig.1: Emittances rms normalisées en fonction de PI La figure 1 confirme une réduction importante de remittance avec l'adjonction de gaz dans la ligne. Celle-ci dépend de la nature du gaz et de la pression.

Fig. 4 :

 4 Fig. 4: Courbe de disponibilité en fonction du temps (I = 100 mA à 80 keV) Suite à ce test de longévité nous n'avons observé aucune dégradation tant à l'intérieur de la source qu'au niveau du tube accélérateur.

Références [ 1 ]

 1 -R. Ferdinand et P. Mattéi : "La dynamique du RFQ du projet IPHT. rapport interne DSM/DAPNIA/SEA 98/71 [2]-R. Gobin et al. : "Développement d'une source d'ions légers haute intensité au CEA Saclay", Journées sources d'ions Saclay 1997 [3]-R. Gobin et al. : "Last results of the CW High-Intensity Light Ion Source SILHI at CEA-Saclay", I C I S .97. Taormina. Italie [R.S.I.-Vol 69 ? n°2. Part II, 1998, (1009-1011)] [4]-R. Ferdinand et al. : "Non Interceptive Emittance Measurement of a High Intensity Beam at Low Energy", Linac Conference 98, Chicago, USA

SUJET

  Source microonde multiantenne pour k traitement des matériaux (présenté par P COSTE) Effet de l'adjonction de cesium et d xénon dans les sources d'ions négatifs d

  YPIE » pour deux cludo de collisions ion-atome et ion-molécuk à basse énergie (présenté par D. Lecler) Transport des particules chargées dan. 1 une source ECR, expériences, théorie Amélioration de remittance du faisccai extrait de la sourde Expériences et perspectives d'une sourci supraeonductriee Utilisation de la sourci « SUPERSHYPIE » pour deux étude; de collisions ion-atome et ion-moléculi à basse énergie (présenté par D. Lecler) Utilisation de la sourci « SUPERSHYPIE » pour deux éludes de collisions ion-atome et ion-moléculi à basse énergie (présenté par D. Lecler) Etat des recherches sur les sources d'ion? négatifs sur le faisceau au niveai mondial

SUJET

  Source microonde multiantenne pour k traitement des matériaux (présenté par P COSTE) Expériences et perspectives d'une sourct supracondiictrice (présenté par D. HITZ)

10.0-- 1 0* iisciCiu primaire

		Pour sa mise en route, SPIRAL fonctionnera
	avec	un	ensemble	spécifique	cible-source
	NANOGANIII, dédié aux °az rares.
		Couronnes d'aimants permanents
	Figure 2 -Ensemble cible -source NANOGAN III
		Le faisceau primaire est totalement arrêté dans la
	cible en carbone. Les atomes radioactifs vont sortir de
	la cible par diffusion et vont finir par atteindre la source
	d'ionisation (figure 2). Tous les éléments non gazeux,
	les "condensabies", vont être collés irrémédiablement
	sur les parois froides de l'ensemble. Seuls les gaz vont
	atteindre la chambre d'ionisation.
		Pour le fonctionnement du cyclotron CIME
	(Cyclotron pour les Ions de Moyenne Energie), il est
	nécessaire d'avoir des états de charges élevés imposant
	ainsi le choix d'une source ECR (à Résonance
	Electronique Cyclotronique).

  démantèlement, caractéristique importante dans le cas où la source constituerait un déchet radioactif. Ces caractéristiques sont à comparer à celles d'une source Nanogan II initialement choisie pour former l'ensemble cible source. Il doit être souligné que la comparaison ci dessous n'est valable qu'en termes de déchets, car une source d'ions multichargés telle que Nanogan II ne peut être remplacée que par une source d'ions monochargés associée à une source d'ions multichargés.Cette source est actuellement en cours de montage au GANIL et doit être testée courant 1999. Les caractéristiques du faisceau devraient être proches de celles de Mono 1000.Extension du principe à une source ECR d'ions multichargés Le principe de structure magnétique des sources Mono 1000 et Mono 300 a été étendu à une source d'ions multichargés, moyennant un renforcement du champ magnétique. Une nouvelle source baptisée GI2000 est donc en cours de réalisation au GANIL. Le champ de fermeture calculé est de -7000 Gauss, et le champ minimum de 0. La gamme de fréquence H.F. utilisable est de nouveau très large.

		Volume de	Volume plasma	Volume	Poids	Coût
		chambre (cm 3 )	(cm 3 )	hors tout	(kg)	(kF)
				(litre)
	Nanogan II	-250	-150	-17	-80	. -250
	Mono 1000	-1000	-400	-12	-25	-75
	Mono 300	-300	-230	-2	-8	-40*
	*coût estimé, émetteur H.F. inclus

  des éléments métalliques ou non (zinc, plomb, chrome, soufre)[3, 4]. Les résultats sont donnés dans le tableau 1.

	2 Le mode continu
	2.1 Résultats en rendement
	Le rendement de transformation l-\->n+ est défini par la relation :
	où Ii + représente l'intensité du faisceau d'ions monochargés injecté dans la source ECR et I n+ l'intensité du
	faisceau d'ions multichargés extrait.
	De plus, le rendement global TJQ est donné par :
	Elément 8 4 Kr	Transformation 1H->-n+ Kr 1+ ->Kr 11 +	n 11 %	VG 40 %
	40 Ar	Ar 1+ -s-Ar 8+	9%	40 %
	85 Rb	Rb 1+ -»Rb 1:>+	5.5%	35%
	208Pb	Pb 1+ -»Pb : " +	4.5%	35 %
	64Zn	Zn 1+ ->Zn y+	3.5%	23%
	ssCr	Cr 1+ ->Cr 11 +	3.5%	21 %
	32S	S 1+ -+S /+	2.3%	11 %
	TAB. 1 -Rendements l+-tn+obtenus pour différents éléments.

N

t=i où r)i est le rendement pour chaque état de charge i extrait de la source ECR (pour un élément considéré) et X est l'état de charge maximal produit.

Des expériences ont été menées sur des gaz rares (krypton, argon), un alcalin (rubidium) et sur

  qui donne le temps de formation des ions Rb 10 *" lorsqu'on injecte un faisceau d'ions Rb 1+ d'une intensité de 400 nA.

	-200	200	400	600	800	1000	1200	1400	1600	1800
				Temps (ms)
	FlG. 3 -Temps de réponse de la transformation Rb 1+ ^Rb 15+ . À t=0 on injecte le faisceau d'ions Rb l+ dans MINIMAFIOS. A t-900ms, on cesse d'injecter le faisceau d'ions Rb 1 + .

On constate donc qu'après moins de 200ms, approximativement 90% des ions Rb 15+ sont extraits de la source ECR MINIMAFIOS.

  Emittance et rendement l+->n+ pour différents faisceaux 1+ injectés.On constate que des faisceaux de faible émittance permettent un meilleur rendement. Cette limitation est essentiellement due aux caractérisques optiques de notre dispositif expérimental. En particulier, l'acceptance de la source MINIMAFIOS n'a pas été optimisée.

	Ion injecté Ar 1+	Intensité(nA) 1600	Emittance (mm.mrad) 20TT	V 8.7%
	Pb 1 +	380	40TT	2.7%
	Pb 1+	170	5TT	4.8%
	Cr 1 *	210	40TT	0.7%
	Cr 1 +	100	22TT	1.5%
	Cr 1 +	32	IOTT	2.9%
	Cr> +	13	6-	3.5%
	TAB. 2 -

  Projet de source d'ions sélective en ligne pour produits de fission. projet de source s'inscrit dans le projet plus vaste du FLNR (JINR) de production de faisceaux d'ions radioactifs à partir de la réaction 238 U(7,f). Une des difficultés présentées par ce type de production par fission est que la séparation des isobares produits simultanément, n'est possible efficacement que pour quelques types particuliers d'éléments : gaz rares, alcalins, halogènes. Pour les alcalins et les halogènes on utilise leur grande sensibilité à l'ionisation de surface. Pour les gaz rares, leur très grande volatilité liée à leur absence de Figure1. Schéma de principe du dispositif proposé réactivité permet de les séparer sans peine des autres pour la réalisation d'une source sélective. Les éléments. éléments sont sélectionnés en utilisant les écarts entre les pressions de vapeur.

	Robert MEUNIER.
	CSNSM -IN2P3 -CNRS -Bât 104/108 Campus -91405 ORSAY.
	meunier@csnsm.in2p3 fr
	Objectifs du projet.
	vvW

Ce

47 48 Figure 2. Taux de production prévus des isobares à 132 uma.

  y apparaît clairement que le132 Sb a les caractéristiques les plus voisines du 132 Sn tant en ce qui concerne la volatilité que le flux produit. Il sera donc le plus difficile à éliminer par le moyen choisi. Cd, I, Xe et Cs ont une volatilité très élevées et ne sont donc pas une difficulté dans le cas présent. Pour la suite des calculs et bien qu'elle soit critiquable, on fera l'hypothèse que la volatilité des atomes isolément déposés sur le transporteur est identique à celle des atomes à la surface de la matière massive. Cette hypothèse doit être sans doute d'autant mieux vérifiée que le couple transporteur -transporté a peu d'affinités et que la température sera élevée facilitant la désorption et la décomposition moléculaire. Il est possible, en partant de la connaissance de la

	s.
	Robert MEUNIER	56	17/03/99

i CSNSM -IN2P3 -CNRS D

  Bieth 1 , J.L. Bouly 2 , J.C Curdy 2 , S. Kantas 1 , P. Sortais 2 , P. Sole 2 , J.L Vieux-Rochaz 2 'Pantechnik s.a. CAEN, 14000, FRANCE 2 Institut des Sciences Nucléaires,CNRS-IN2P3 / Univ. J. Fourier

C.

TABLE II TABLE I

 III

  peut proposer le modèle suivant pour le confinement ionique : les ions, très collisionnels, diffusent dans l'espace réel et sont poussés hors de la décharge par le champ électrique ambipolaire ; il s'en déduit une loi du temps de vie :Les ions sont froids et collisionnels. Leur temps de vie croît avec la charge. Si cette croissance avec la charge est effectivement linéaire, leur transport est contrôlé par la diffusion spatiale dans le champ électrique ambipolaire. Un temps de vie correct requiert un plasma de grandes dimensions, et de faible température ionique.La source SILHI est étudiée au CEA, dans le cadre beaucoup plus général des accélérateurs de puissance destinés à la production de flux intenses de neutrons. Elle est construite et optimisée dans le but d'injecter un faisceau de protons pouvant atteindre 100 mA dans le RFQ du projet IPHI[1] (Injecteur de Protons Haute Intensité, développé en collaboration avec le CNRS -IN2P3). L'énergie des ions à l'entrée du RFQ sera de 95 keV et remittance requise de 0.2 % mm mrad. SILHI est une source d'ions de type ECR fonctionnant à CÛH. F = 2.45 GHz (résonance cyclotronique électronique pour un champ magnétique B = 875 Gauss).

	Conclusion
	La dynamique des électrons est contrôlée par la HF (chauffage par E,
	diffusion angulaire par B). Un rapport miroir élevé permet de limiter
	les pertes. L'important est la loi d'échelle : plus la fréquence
	augmente, plus on peut augmenter le contenu énergétique des
	électrons , et par conséquent les performances.
	Introduction
	k -20 = 7.1 10" zu aqLnk
		être
	confronté à un modèle, notamment vis à vis d'autres lois proposées
	précédemment:
	-le puits de potentiel négatif A<ï > (qui serait créé par les électrons
	énergétiques),
	/ Ra exp kïî J i , ^ i\
	-la diffusion collisionnelle des ions multichargés,
	-20 r =7.1 \Q-zv a z q z LnA 2 2	T : 5/2

On peut estimer que le champ électrique est très inférieur au rapport du potentiel plasma à la longueur de la source. On a déjà vu antérieurement que les ions sont froids (Ti < 1 eV) . Ce modèle de temps de vie est consistant avec les mesures et devra toutefois

  Nous avons d'abord constaté que l'effet le plus important est observé en fonction de la pression (PI) dans la première partie de la ligne et non pas au niveau de la mesure d'émittance (P2). La jauge de penning PI (calibrée Azote) est placée entre le tube accélérateur et le solénoïde. La pression de fonctionnement, sans injection de gaz, est égale à 1.8 10' 3 Torr pour PI età 1.2 10' 3 Torr pour P2.

		Experiment	Status
		75	105
		88	88
	Proton beam (mA)	66	92.4
	Beam density (mA/cm2)	148	208
	Beam energy (keV)	95	95
	Intermediate Electrode (kV)	56	47
	Discharge RF Power (kW) 2.45 GHz	0.6	1.2
	Beam emittance (u mm mrad)	0.3 -0.1
	Hydrogen mass flow (seem)	1.7	«1.6

FlG. 4 -Structure en temps des ions Rb la+ mesurés. A t-0, on extrait les ions par coupure de l'onde H.F.Ces études n'ont été réalisées, pour l'instant, qu'avec l'élément rubidium. Nous avons obtenu un rendement de transformation Rb 1+ ->Rb lo+ en mode puisé de 2.2%. Le «puise» d'ions Rb l0+ extrait a une durée d'environ 20 ms (voir figure4).On peut noter que si l'on injecte un faisceau de Rb 15+ d'intensité 400 nA pendant 1 seconde dans l'ECRIT, on mesure un courant-pic extrait de Rb 15+ valant 11.5 fiA, ce qui représente 2.4 x 10 10 ions dans un «puise» de 20 ms. Considérant l'ensemble des états de charges présents dans le plasma, on évalue à plus de 10 11 le nombre de particules stockées dans l'ECRIT.Par ailleurs, le temps de confinement des ions Rb 15 " r dans le plasma de l'ECRIT a pu être mesuré : il est de l'ordre de 500 ms.4 Mesures d'émittance du faisceau 1+ injecté.4.1 Rendements et émittancesL'émittance de différents faisceaux et leurs rendements l-\->n+ associés ont été mesurés au cours des dernières expériences réalisées dans le cadre d'une collaboration avec le G ANIL[START_REF] Lamy | Rapport d'étape sur les mesures de rendements de transformation l+-tn+[END_REF]. Les résultats sont rassemblés dans le tableau 2. La mesure d'émittance donnée est celle de l'émittance horizontale du faisceau d'ions 1+, la valeur de remittance verticale étant tout à fait comparable.

Remerciements

Je voudrais remercier tous mes collègues de Cadarache (J. Pamela, M Fumelli, R Hemsworth, P Massmann, A Simonin, R. Trainham C Desgranges, J Bucalossi) qui ont participés à l'expérience SINGAP ainsi qu'à l'expérience Kamaboko 1000s. Je tiens également à remercier nos collègues japonais et plus particulièrement l'équipe du JAERI(Y Okumura, M Kuriyama, K Watanabe, Y Fujiwara, K Miyamoto) ainsi que l'équipe NEFS (0 Kaneka, y Takeiri. K Tsumori) pour les informations qu'ils ont pu me fournir.