III. Production de faisceaux d’ions alcalins radioactifs monochargés à partir de
III.3. L’ensemble cible-source MonoNaKe
Si l’efficacité d’effusion dans l’ioniseur est de 100% (Teff << T1/2), l’efficacité totale de l’ioniseur tend vers la probabilité d’ionisation par contact p+. Autrement dit, une augmentation du nombre de collisions atomiques sur les parois du tube ioniseur n’entraînera pas une augmentation de l’efficacité de l’ioniseur. Dans le cas d’un tube sans champ électrique, la seule possibilité pour augmenter l’efficacité d’ionisation est donc de changer la nature du matériau ioniseur ou sa température, ce qui dans la pratique peut s’avérer beaucoup plus difficile que d’appliquer un champ électrique : exemple en reprenant 25Na (T1/2 égal à
59s) passant dans un tube ioniseur en carbone à 2000 K, l’efficacité d’ionisation sans champ électrique est égale à 18 %. Pour atteindre un gain d’un facteur 2 sur l’efficacité d’ionisation, il faudrait atteindre une température de 10000 K. Il est bien évidement impossible d’atteindre ces températures dans le domaine des sources d’ions.
Les ensembles cible-source de SPIRAL 1 fonctionnent à une température maximale de l’ordre de 2000 K en raison de l’évaporation du carbone, de la fiabilité et de la durée de vie de la source souhaitées. Cette température de fonctionnement ne permet pas d’obtenir un effet de cavité chaude (voir tableau III.1). Dans le cadre du développement d’un ensemble cible- source pour la production de faisceaux d’ions alcalins radioactifs sur SPIRAL 1, la source MonoNaKe est basée sur l’association d’une cible de production en carbone et d’un tube ioniseur en carbone (cavité cylindrique). Cette source [El-07-01] a été développée de façon à utiliser un champ électrique d’extraction le long du tube ioniseur en carbone pour augmenter l’efficacité d’ionisation.
III.3. L’ensemble cible-source MonoNaKe
L’ensemble cible-source MonoNaKe a été réalisé pour la production de faisceaux d’ions monochargés de sodium et potassium radioactifs. Ce système est constitué d’une cible de production et d’un ioniseur en carbone. Le travail de sortie d’une surface en carbone a été pris égal à 5 eV [Rob-74-01]. La probabilité d’ionisation par contact est de 100% pour le potassium, de 18% pour le sodium et de 5% pour le lithium. Le carbone a été choisi car il présente de bonnes caractéristiques mécaniques à des températures élevées (de l’ordre de 2000 K) et il permet également d’éviter une contamination de l’ioniseur par un dépôt de carbone issu de l’évaporation de la cible de production et des parties environnantes.
La cible en carbone a été conçue pour la production des isotopes de sodium à partir d’un faisceau primaire de 36S ou de 24Mg d’une énergie de 77,5 MeV/A, et également des isotopes de potassium à partir d’un faisceau de 48Ca d’une énergie de 60,3 MeV/A ou à partir d’un faisceau primaire de 40Ca d’une énergie de 95 MeV/A. Cette cible est usinée dans un bloc
99]. Il possède une taille de grain de 1 µm. La cible de production est dimensionnée (voir tableau III.3) pour arrêter l’ensemble des fragments radioactifs produits par fragmentation des noyaux du projectile et pour supporter une puissance de faisceau primaire de 1,5 kW. Le chauffage additionnel externe de la cible est réalisé par une résistance ohmique en carbone.
Densité 1,78 g/cm3
Nombre de lamelles 31
Epaisseur des lamelles 0,5 mm séparées de 0,8 mm
Demi-angle du cône 20°
Diamètre 28 mm
Fenêtre d’entrée en carbone 1 mm d’épaisseur pour le 2 mm d’épaisseur pour le 4836Ca et S et 2440Mg Ca Tableau III.3 : Caractéristiques techniques de la cible de production pour l’ensemble cible-
source MonoNaKe.
Figure III.11 : Ensemble cible-source MonoNaKe. Le chauffage ohmique de la cible de production et du tube ioniseur sont indépendants. La puissance déposée dans le tube ioniseur
permet de contrôler la température mais également l’intensité du champ électrique. La source à ionisation de surface présentée dans la figure III.11 est différente de la première version fabriquée à partir de l’ensemble cible-source MONOLITHE [Gib-03-02] car le tube ioniseur en carbone est chauffé indépendamment du four de la cible (voir figure III.12). Le courant est injecté dans le tube ioniseur par l’intermédiaire de l’enveloppe de la cavité de la cible.
Cible de production
Tube ioniseur en carbone
Four chauffage cible
de production Cavité en carbone
Electrode d’extraction en carbone
Lentille Einzel en carbone
Figure III.12 : Circuit d’alimentation en courant du four et circuit d’alimentation en courant de l’ioniseur.
On obtient ainsi une différence de potentiel entre les extrémités du tube ioniseur, potentiel dont le but est d’augmenter l’efficacité d’ionisation de la source MonoNaKe (voir paragraphe III.2.d). Le passage du courant au travers de l’enveloppe du tube permet d’obtenir une température relativement homogène sur toute la surface du ioniseur :
Une température de 1500°C pour une puissance ioniseur de 0 W et une puissance four de 2700 W.
Une température de 1700°C pour une puissance ioniseur de 175 W et une puissance four de 2700 W.
La puissance de l’ioniseur est estimée à partir de la puissance délivrée par l’alimentation à laquelle on a soustrait la puissance perdue dans les câbles ainsi que la puissance perdue dans les connexions d’alimentation (estimation faite à partir des sections des différentes parties du circuit).
Le tube ioniseur a une longueur de 20 mm et un diamètre de 4 mm (voir figure III.13). Il a été nécessaire de diminuer la section des pattes du tube ioniseur de manière à diminuer les pertes par conduction thermique.
Faisceau d’ions 1+ Chauffage ioniseur Chauffage du four I I Faisceau primaire
Figure III.13 : Tube ioniseur utilisé pour la source à ionisation de surface MonoNaKe d’une longueur de 20 mm et d’un diamètre de 4 mm.
Cet ensemble cible-source est également constitué d’une électrode d’extraction en carbone et d’une lentille Einzel en carbone. Ces éléments optiques sont nécessaires pour extraire le faisceau d’ions monochargés tout en limitant sa divergence pour des tensions d’extraction « élevées » (supérieures à une centaine de volts) au niveau de la sortie du tube ioniseur.
En fonction des caractéristiques géométriques du tube ioniseur, le nombre de collisions moyen est estimé à partir de la relation III.9 qui dépend du rapport entre la surface du tube ioniseur et de la surface des orifices de sortie. Ce nombre moyen de collisions atomiques est égal à 20.
Dans un premier temps, l’estimation du nombre moyen de collisions atomiques à partir de la relation III.9 est une approximation. En effet, à partir d’une application issue de la référence [Mus-03-01] basée sur le code de simulation Monte Carlo Géant 4 [Gea-03-01], il est possible d’estimer le nombre de collisions atomiques dans tout l’ensemble cible-source MonoNaKe (cavité de la cible de production et tube ioniseur). Ce code de calcul prend donc en compte les collisions dans la cavité de la cible de production, entre les lamelles de la cible et dans le tube ioniseur. Pour un ioniseur d’une longueur de 20 mm et un diamètre de 4 mm, le nombre moyen de collisions atomiques !ioniseur est estimé à environ 50 (voir figure III.14). Ce
0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 20 40 60 80 100
Longueur du Tube ioniseur mm
_io n is e u r Ncoll cos Ncoll RdIsot
Figure III.14 : Nombre de collisions !ioniseur en fonction de la longueur du tube ioniseur et
pour un diamètre égal à 4 mm à partir de deux types de lois : une loi en cosinus et une loi isotrope. Ces simulations sont réalisées sans tenir compte de l’effet d’un gradient de pression
entre l’entrée et la sortie du tube.
Le nombre !cavité de collisions atome-paroi dans la cavité de la cible de production sans
prendre en compte le tube ioniseur est estimé à environ 2500 collisions. L’ajout d’un tube ioniseur d’une longueur de 20 mm et d’un diamètre de 4 mm augmente le nombre de collisions d’un facteur 5, soit 12500 collisions. Ceci est dû au fait qu’une particule qui rentre dans le tube ioniseur a une probabilité non négligeable de repartir en arrière, vers la cavité de la cible de production. Une fois à nouveau dans la cavité de la cible, la particule doit retrouver l’orifice du tube ioniseur dont la surface est très inférieure à la surface totale de la cavité.