Développements de PIPERADE au CENBG

Dispositifs

Avant l’installation et l’utilisation dans le hall DESIR prévues en 2022, le projet doit être testé et caractérisé au Centre d’Études Nucléaires de Bordeaux-Gradignan. Pour cela, nous dé-veloppons une ligne de faisceau (bas, fig.5.16) qui comprend :

— Une source FEBIAD et son optique (cercles noirs, fig. 5.16) permettant de produire un faisceau d’ions stables pour tester les dispositifs.

— Le quadrûpole radiofréquence refroidisseur regroupeur GPIB (cercle rouge, fig. 5.16) est un des outils développés au CENBG. Il permet de refroidir les faisceaux et, si néces-saire, de regrouper les ions en paquets.

— Un prototype de déflecteur à 90o (cercle bleu, fig. 5.16) sert à distribuer le faisceau sur trois branches. Il s’agit initialement d’un outil développé pour distribuer des paquets à un “MR-TOF-MS” avec des effets de dispersion en temps et d’aberrations de l’émittance transverse les plus faibles possibles. Cet outil est sensible aux dispersions angulaires ou décalage en position. Il est donc primordial de contraindre le faisceau en amont. Nous verrons cela dans le chapitre dédié à l’injection dans les pièges. Ce design sera également utilisé pour l’installation basse énergie de S3 (“S3-LEB”, “S3-Low Energy Branch”). Dans le hall DESIR, il permettra de relier la ligne principale à la ligne secondaire où se trouve le double piège. Dans le cadre des tests au CENBG, dans la version de la ligne datant de

2015, le double piège se situait à 90o (haut, fig. 5.16) et le déflecteur distribuait les ions pour le piège. Cependant, pour des raisons techniques et de logistique du hall de montage, la ligne a été modifiée en septembre 2016 (bas, fig. 5.16) et le piège se situe maintenant à 0o.

— Les optiques d’extraction du GPIB (cercles bleus, fig. 5.16) permettent de modi-fier la focalisation et la position du faisceau pour l’injecter correctement dans le déflec-teur. Celles-ci sont composées de trois électrodes. Également, un ensemble de correcteurs d’angle (“steerer” en anglais) et une lentille einzel a été ajoutée.

— L’ optique d’injection du double piège de Penning est une succession d’électrodes qui permet le transport et le ralentissement progressif du faisceau dans le champ magné-tique. L’objectif d’un tel système est d’obtenir une transmission maximale des ions dans le premier piège de Penning.

— Le double piège de Penning (cercle orange, fig. 5.16) est le sujet principal de ce projet. Ce dispositif se compose d’un aimant supraconducteur de 7 T. Ainsi, les bobines supraconductrices sont à l’intérieur d’un ensemble de cuves qui permettent de contenir de l’hélium et l’azote liquide pour le refroidissement. Au milieu des bobines se trouve un tube à vide qui traverse de part en part l’aimant. Celui-ci permet de loger les électrodes qui forment les deux pièges de Penning.

Figure 5.16 – Versions du début 2015 (haut) et 2016 (bas) des schémas de la ligne de faisceau qui est développée et en cours de test au CENBG.

Plateforme haute tension

1. Principes d’accélération et de décélération

Une fois les ions produits par la source, il faut alors les accélérer. Les ions sont sensibles au champ électrique. Ainsi, une différence de potentiel entre deux électrodes ou éléments d’optique produit une force électrique qui modifie l’accélération de cet ion. Par analogie avec la mécanique du point (fig. 5.17), un potentiel électrique sans gaz peut être vu comme une colline et les ions comme des billes qui se déplacent sans frottement sur celle-ci. Ainsi, à la même valeur de potentiel

5.4. CONCLUSION 77 sur la ligne de faisceau ou d’altitude sur la colline, les ions ou les billes auront les mêmes vitesses (code couleur, fig. 5.17). Si l’ion part sans vitesse au niveau d’un potentiel, cet ion aura une vitesse nulle au niveau du potentiel de même hauteur suivant.

Figure 5.17 – Analogie entre le mouvement des ions dans un champ électrique et le mouvement d’une bille dans des montagnes russes. L’altitude joue le même rôle que le potentiel électrique dans le cas d’un ion.

2. Plateforme haute tension

Ainsi, pour accélérer les ions à une énergie de 30 keV, l’arrière de la source est reliée à une alimentation haute tension de 30 kV et l’extractrice est à la masse. De plus, les dispositifs (GPIB, déflecteur et double piège de Penning) nécessitant des énergies très basses (quelques eV à 5 keV) sont reliés à des plateformes hautes tensions (fig. 5.18). De cette manière, pour que les ions arrivent avec une énergie de 100 eV à l’entrée du GPIB, celui-ci est relié à une haute tension de 29,9 kV. Par la suite, après refroidissement des ions (remise à zéro des vitesses des ions), ceux-ci nécessitent d’être accélérés en sortie du GPIB. Leur énergie doit permettre de les piéger dans le premier piège (soit 40 eV). Cependant, à cette énergie, les ions peuvent être dispersés et perdus après interaction avec les atomes de gaz résiduel (vide de seulement 10−7 mbar). De plus, la dispersion en temps dépend de l’énergie et varie selon 1/E3/2 (cf. section 7.3.2, éq. 7.21), ce qui signifie qu’une énergie de transport plus grande est nécessaire. A contrario, la déflection des faisceaux avec notre déflecteur à 90opose également une limite concernant l’énergie d’accélération des faisceaux car sa conception ne permet pas la déflection au-delà de 5 keV. Ainsi, une énergie de transport intermédiaire de 3 keV a été choisie. Pour cette raison, la haute tension appliquée au déflecteur est de 27 kV. Enfin, pour ralentir les ions à une énergie de 40 eV à l’entrée du premier piège de Penning, une tension de 29,8 kV est appliquée. Enfin, à chaque interface entre ces plateformes se situe des optiques qui ont pour but de contrôler la focalisation du faisceau et de ralentir ou d’accélérer progressivement les ions.

5.4 Conclusion

Au cours de ce chapitre, nous avons vu que les projets récents développés au GANIL ont pour but de produire des faisceaux intenses et très purs. Afin d’y parvenir, ceux-ci nécessitent la mise en place de la méthode “ISOL”. Ainsi, le GANIL a développé deux nouveaux projets : SPIRAL1 et SPIRAL2. Le premier est un ensemble cible-source, en fonction depuis 2001, dans laquelle une cible épaisse est bombardée par les faisceaux accélérés par les cyclotrons actuels (CSS1 et CSS2) du GANIL. Le second est une installation en cours de réalisation qui possède un accélérateur

Figure 5.18 – Schéma des hautes tensions (lignes rouge) et des énergies des ions (ligne bleue) sur la ligne de faisceau.

linéaire et un ensemble de salles d’expériences pour étudier les noyaux “super-lourds”, les réactions à intérêt astrophysique, les études de l’interaction faible,... Dans ce projet, seuls les bâtiments de production et S3 possèdent des cibles qui permettent la production d’ions, respectivement, via les méthodes “ISOL” ou “In-flight”. De plus, une installation, appelée hall DESIR, est consacrée aux études très précises des noyaux. Pour cela, elle met en pratique trois techniques : la spectroscopie laser, les études de décroissance et les pièges. Selon les noyaux étudiés, ces techniques nécessitent des faisceaux très purs. Ainsi, pour étudier l’interaction faible, des séparateurs basés sur des pièges de Penning ont été privilégiés. En lien avec ce type de séparateur, cette thèse est consacrée à la réalisation d’une ligne de faisceau au CENBG pour développer et caractériser un double piège de Penning. De cette manière, dans les prochains chapitres, les différents éléments (d’après l’ordre et le code couleur choisi dans la figure 5.16 en bas) seront présentés. Ainsi, pour commencer, la source et l’optique associée (noir, figure 5.16) seront introduites. Ensuite, nous détaillerons le fonctionnement du GPIB (rouge, figure 5.16). Enfin, la conception et les réglages de l’optique d’extraction du GPIB, du déflecteur et de l’injection (bleu, figure 5.16) pour le double piège de Penning (orange, figure 5.16) seront détaillés. Concernant le double piège de Penning, il n’est pas installé au moment de la rédaction de la thèse et je n’ai pas eu l’occasion de développer un design ou des simulations pour la partie de piégeage. Par conséquent, aucun chapitre ne lui est consacré. Toutefois, son fonctionnement sera présenté tout au long de ces chapitres au travers des justifications nécessaires au développement des outils situés en amont.

Chapitre 6

De la source au GPIB

Afin de caractériser l’ensemble du dispositif PIPERADE, une ligne de tests a été développée au CENBG. En premier lieu, celle-ci se compose d’une source d’ions stables et d’une optique afin de fournir un faisceau et ainsi permet de caractériser le GPIB et le double piège de Penning. Dans ce chapitre, nous allons introduire le fonctionnement de cette source et la composition de l’optique qui lui est associée. Puis, les principes généraux de faisceaulogie seront décrits. Ensuite, la mesure de l’émittance avec l’émittance-mètre de type Allison sera expliquée. Enfin, nous déterminerons l’émittance transverse produite par la source et nous testerons les effets de la focalisation du faisceau sur l’injection dans le GPIB.

6.1 La source