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LES SOURCESD’IONS LÉGERSÀ HAUTE INTENSITÉAU CEA SACLAY

Roscoff 2013 Tuske Olivier /Irfu/DSM/SACM/LEDA

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POINTS ABORDÉS

Sources ECR pour les ions legers

Principe et bestiaire

La problématique des accélérateurs fort-courants

Quelques mots sur la R&D :

Source ALISES (thèse de S. Nyckees)BETSI : Banc d’Etudes et de Tests des Sources d’Ions

Conclusions

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1.PRINCIPE ECR

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PRINCIPE ECR

Blindagemagnétique

Isolant

Haute Tension

Système magnétiqueHF

AdapGénérateur

HF

Guide d’onde2,45GHz

2.45GHz

Gauss 875Bpour

meB

HFcyclo

HF

cyclo

e/HH

Pulsé ou continuPcrète=2 kW

H2

D2

Systèmed’extractionadapté

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ZONE DE CHAUFFAGE ECRMAGNÉTISME + RF

Module B

Iso-Module 875Gauss

Opera codeB1 B2 B1 B2

Calculs magnétostatiquesCalcul RF Aboutir a une géométrie permettant de concentrer l’énergie HF au « bon » endroit

BEAM BEAMHF HF

2.45GHz

HF

CST

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ZONE D’EXTRACTION DES IONS POTENTIEL + GÉOMÉTRIE + ÉLECTROSTATIQUE

25 mradrf=10 mm

AXCEL codeOpera code

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LES DIFFÉRENTES SOURCES ECRDÉVELOPPÉES À SACLAY

Projet /Source Tension Courant Configuration magnétique

SILHI IPHI 100kV 100mA H+ Bobines

IFMIF EVEDA 100kV 140mA D+ Bobines

SPIRAL2 20kV40kV

5mA H+5mA D+

Aimants permanents

ALISES 40kV (100kV ?) Prévue pour 30 à 100mA

Bobines

SILAP-1 40kV 30mA Aimants permanents

SILHI2 50kV 40mA Aimants permanents

IFMIF-1

SILAP-1SP2

SOURCE SILHI

8

Beam Extraction (10 kW)

0102030405060708090

100110120130140

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Time (ms)

Curre

nt (m

A)

DCCT (mA)ACCT (mA)Beam stop (mA)

Deuteron beam

AXCEL CODE

Magnetic and electrostatic calculations

Opera CODE

Source opérationnelle

INJECTEUR IFMIF

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OPERA 3D CODE

AXCEL CODE

Source livrée au Japon, actuellement en caisse

INJECTEUR SPIRAL2

10Source livrée au GANIL, actuellement en caisse aussi

TECHNIQUES À MAITRISER

date de présentation 11

Magnetic, thermal and electrostatic

calculations

Materials

Beam Extraction Control system

RF injection and coupling

HV Technic CEM

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2.LES SOURCES ECR POUR LES ACCÉLÉRATEURS

LA PROBLÉMATIQUE DES FORTS COURANTS

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PROBLÉMATIQUE DES ACCÉLÉRATEURS

Les demandes pourune source d’ions:

Injection dans Accélérateur

Grossissements d’émittance dépend de

• Fiabilité (MTBF et MTTR)• Reproductibilité dans le temps• Facilité de maintenance (démontage etc..)• Les objectifs de courant et d’émittance

souhaités

• Utilisation d’une LBE pour injecter dans un RFQ

• 2 éléments focalisant minimum pour contrôler la taille et la divergence du faisceau

• Aberrations dues:• à l’optique du système d’extraction• aux éléments magnétiques de la ligne

• Non linéarité du champ électrique créé par la charge d’espace

• La focalisation (focalisation forte ou faible)

En résumé:plus la LBE sera longue et plus les phénomènes d’interaction seront importants

et donc néfastes pour garder l’émittance la plus faible possible

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UN INJECTEUR POUR ACCÉLÉRATEUR

Entrée RFQPoint Zéro extraction SOLENOIDES

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CAHIER DES CHARGE D’UNE SOURCE D’ÉTUDE

Source + Tube Accélérateur permettant de gagner 20cm sur la LEBT

Conception « astucieuse » du champ magnétique pour chauffer les électrons et un système d’extraction compact et polyvalent

Source d’étude

On veut tester des paramètres précis de la source comme les dimensions de la chambre plasma Vers un miniaturisation des sources

Source stable et polyvalente

Démontage pas trop compliqué pour faire des essais simples

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3.SOURCE ALISESALISES : ADVANCED LIGHT ION SOURCE AND EXTRACTION SYSTEM

BETSIBANC D’ ÉTUDE ET DE TESTS DES SOURCES D’IONS

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L’IDÉE DE DÉPART

-250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

Cham

p M

agne

tique

(T)

Position Longitudinale (mm)

Proof of Concept sur Silhi Silhi Normal ALISES(SEF)

-250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

Cham

p M

agne

tique

(T)

Position Longitudinale (mm)

Proof of Concept sur Silhi Silhi Normal

Gain

SILHI

ALISESAvantages multiples :

• Gain de 20 cm sur la LEBT• Alimentation bobine source à

la masse• Bobine aide à focaliser le

faisceau extrait

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ALISES

ALISES est une grosse source

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ALISES SOURCE D’ÉTUDE

• Modification de l’injection RF Injection plus efficace

• Réduction des dimensions de la chambre plasma en Longueur et en Diamètre

Perspective de miniaturisation

• Modification des gaps d’extraction Optimiser les courants et les particules

Mode PulséUNIQUEMENT

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RÉSULTATS AVEC ALISES SUR BETSI

15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 1001050

2

4

6

8

10

12

14

16

Extra

cted

Curre

nt (m

A)

Diameter (mm)

Current20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

8.5

9.0

9.5

10.0

10.5

11.0

11.5

12.0

Extra

cted

Inte

nsity

(mA)

Length (mm)

Intensity

Longueur chambre plasma = 95mm semble être un optimum

Courant extrait n’est pas sensible au diamètre de la chambre plasma

Faut il laisser aux électrons le temps de se thermaliser?

Intéressant pour la miniaturisation

17kVAu delà la source

pas stable

17kVAu delà la source

pas stable

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PIÈGE PENNING ?Th

èse

S. N

ycke

es

Electrons piégésVérification expérimentale

Validation de la simulation

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BETSI : BANC DE TESTS DES SOURCES D’IONSMAIS PAS QUE…

L’amélioration de BETSI en un « mini » injecteur complet permet :De tester des sources d’ions, les qualifier avec des diagnostics De développer et tester des diagnostics

interceptifs (CF, EMU), non interceptifs (tomographie, camera, 4 grilles)

Tester des parties de ligne (chopper)Afin de comprendre la physique à basse énergie

Compensation de la charge d’espace: effet de la pression dans la ligne, nature du gaz

Upgrade

2009 Oct 2013

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CONCLUSIONS

À Saclay le développement des sources ECR ions légers forts et faibles courants est un sujet bien maitrisé mais il reste encore beaucoup de thématique à « creuser » :

Extraction à plus fort courant semble un vrai défiLe domaine de l’injection HF dans la chambre plasma peut nous apprendre à utiliser moins de puissance HF mais plus efficacementMiniaturisation source plus petite moins chère industrialisation

Le domaine des sources d’ions légerspossède peu de code prédictif « efficace »le code SOLMAXP est en cours de modification pour simuler l’ensemble des interactions ayant lieu dans la chambre plasma,est un domaine multidisciplinaire,où la méthode empirique prime.

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MERCI DE VOTRE ATTENTION

Roscoff 2013

Visuel