les sources d’ions légers à haute intensité au cea saclay
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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
4
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
5
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
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