C. Caractéristiques faisceau et diagnostics associés
1. Composition du faisceau
a)
Caractéristiques
Le type de particules accélérées est défini par le gaz injecté dans la source de l’accélérateur. Les particules peuvent interagir entre elles ou avec les autres éléments présents dans la ligne accélératrice.
Par exemple, pour obtenir un faisceau de protons (H+) grâce à une source de type ECR, on injecte du dihydrogène H2 dans un plasma (voir partie B.1). La rencontre entre les molécules de H2 et les électrons du plasma créera des H+, H2+ et H3+. Il existe un nombre très important de collisions possibles dans le plasma d’hydrogène, dont les principales sont :
Nom de la collision Equation
Ionisation non dissociative de H2 par e- 𝑒−+ 𝐻2→ 2𝑒−+ 𝐻2+ Ionisation de H par e- 𝑒−+ 𝐻 → 2𝑒−+ 𝐻+ Excitation électronique de H2 par e- 𝑒−+ 𝐻2→ 𝑒−+ 𝐻2∗ Ionisation dissociative de H2 par e- 𝑒−+ 𝐻2→ 2𝑒−+ 𝐻 + 𝐻+ Ionisation dissociative de H2+ par e- 𝑒−+ 𝐻2+→ 2𝑒−+ 2𝐻+ Excitation dissociative de H2+ par e- 𝑒−+ 𝐻2+→ 𝑒−+ 𝐻++ 𝐻∗
Durant le transport dans la ligne basse énergie, le faisceau peut se modifier en interagissant avec le gaz résiduel provenant de la source. Ce sont les molécules de H2 qui sortent sans interagir avec les électrons du plasma en raison de la différence de pression entre la chambre plasma et la ligne accélératrice. Dans le faisceau, il existe également des « ions lourds » en petite quantité (nommés ainsi à cause de leur masse nettement supérieure à celles des ions à base d’hydrogène), qui sont dues à la désorption des surfaces des éléments de la ligne et à des micro fuites.
Par ailleurs, le faisceau peut exciter les molécules du gaz résiduel présent dans la ligne et la désexcitation directe ou après recombinaison s'accompagne d'une émission de lumière dans la zone d'interaction. Dans le cas d’un faisceau à base de dihydrogène, le spectre de la lumière émise est composé des raies spectrales de la série de Balmer de l’hydrogène atomique (H : 656,2 nm, H : 486,1 nm, H : 434 nm). Cette luminescence est de teinte bleutée (Figure 9). Certaines caractéristiques du faisceau peuvent être mesurées à partir de cette lumière. Il est possible par exemple de différencier et quantifier les différentes espèces d’ions, de déterminer le profil transverse, la position du centroïde, l’émittance et l’intensité du faisceau. D’autre part, la présence du gaz résiduel permet également le phénomène de compensation de charge d’espace abordé plus en détails page 9.
Figure 9 : Image de la luminescence du gaz résiduel d’un faisceau de protons
La gestion du vide est d’autant plus importante pour ces effets. Dans la LBE, le vide n’est volontairement pas très poussé car le gaz résiduel est utile. A plus haute énergie, ce gaz n’est plus présent et il n’y a ni émission lumineuse ni compensation de la charge d’espace. A titre d’exemple, sur l’injecteur IPHI, la pression à la sortie de la source en fonctionnement (avec faisceau) est de l’ordre de 10-5 mbar tandis qu’avant le RFQ, elle est à 10-7 mbar et après le RFQ à 10-8 mbar.
b)
Diagnostics
La mesure des quantités des différents ions présents peut être effectuée par des diagnostics tels que le filtre de Wien ou le spectrographe à décalage des raies Doppler.
Filtre de Wien
Le filtre de Wien est un filtre électromagnétique qui sépare les espèces selon leur vitesse et qui mesure la charge correspondant à chaque espèce par rapport à la totalité des charges. Les différents ions composants le faisceau ont, de par leurs masses différentes, des vitesses différentes suivant la formule suivante :
1 2𝑚𝑣2= 𝑞𝑉 𝑣 la vitesse de l’ion 𝑞 le charge de l’ion 𝑉 la tension 𝑚 la masse de l’ion
𝑣 = √2𝑞𝑉 𝑚
La Figure 10 montre le principe de fonctionnement du filtre de Wien. La sélection d’un pinceau de faisceau se fait par un bloc d’arrêt percé d’un trou. Les espèces sont séparées en plusieurs pinceaux selon leur vitesse par un champ magnétique obtenue grâce à un aimant permanent. Un champ électrique variable est appliqué sur des plaques déviatrices pour compenser la déviation magnétique de chacune des espèces tour à tour. L’intensité de chaque pinceau sera mesurée sur un détecteur de courant (un fil ou une coupelle de faraday), placé derrière une fente, en fonction de la tension appliquée.
Figure 10 : Schéma de principe d'un Filtre de Wien et la réponse en courant obtenue Doppler
Le spectrographe à décalage des raies Doppler, plus simplement appelé « Doppler » définit la proportion des différentes espèces grâce à la lumière émise par les interactions du faisceau avec le gaz résiduel. Pour analyser les proportions des différents types d’ions, on peut utiliser ce diagnostic optique basé sur le principe du décalage Doppler. Il permet de mesurer l’intensité lumineuse de la raie H (656,2 nm) de la série de Balmer de l’Hydrogène atomique ayant subi un décalage Doppler (∆𝜆) dans la direction d’observation (𝜃) . Le décalage est défini par la formule : ∆𝜆 = 𝜆0𝑣𝑐cos 𝜃. Le décalage Doppler de la raie H provient des atomes d'hydrogène d'énergie interne modifiée par le changement de structure électronique se désexcitant (n=3→2) avec une certaine vitesse. L'origine de ces différents atomes résulte d'une neutralisation par capture électronique et d'une réaction de dissociation des ions 𝐻+, 𝐻2+, 𝐻3+ lors de leur interaction avec le gaz résiduel qui est essentiellement constitué de la molécule d'hydrogène (H2). Les différentes espèces, ayant des vitesses différentes, génèrent des décalages Doppler différents.
Figure 11 : Schéma de principe du spectrographe à décalage des raies Doppler et le spectre obtenu Sur le spectre, on peut voir la raie Hα de la série de Balmer de l’Hydrogène atomique (H0) et les raies
décalées par effet Doppler correspondantes aux différentes espèces (H+, H
2+ et H3+).
On mesure ce décalage avec un spectromètre permettant la séparation des raies spectroscopiques (voir Figure 11). Leur intensité lumineuse est proportionnelle à la section efficace de réaction, à la quantité des particules émettrices et donc au courant du faisceau. Les différentes raies correspondent aux trois particules distinctes. Il est donc possible d'en déduire la proportion des espèces qui composent le faisceau.
Que ce soit avec un filtre de Wien ou un Doppler ces mesures définissent la composition du faisceau, c’est-à-dire la quantité relative de chaque ion. Ces mesures sont toujours réalisées en sortie de source pour caractériser le faisceau avant sa mise en forme et son accélération. Il arrive aussi que l’on fasse des mesures de compositions à d’autres étages de l’accélérateur pour connaitre l’évolution et le comportement des différentes espèces dans l’accélérateur.