Dispositif SISTHE

Parmi les matériaux étudiés par H. Kawano, le rhénium a été retenu comme matériau potentiel pour le ioniseur de SPIRAL 2 car il ne réagit pas avec le carbone [Hs-01]. Son travail de sortie ne sera donc pas influencé par la présence du carbone provenant de la cible de production mais il est possible que l’oxygène change ses propriétés chimiques.

Le second matériau retenu est le carbone graphite. Un argument important est que le carbone évaporé par la cible ne pourra pas altérer son fonctionnement. Ensuite, si l’on considère le potentiel de travail du carbone (5 eV) relativement faible par rapport à l’oxyde de rhénium (6,1 eV au max) mais important par rapport au rhénium pur, on en déduit qu’il est nécessaire de porter le ioniseur à haute température pour obtenir une probabilité d’ionisation par contact importante. Cela conduit à un taux d’évaporation important et à une durée de vie réduite. Les résultats obtenus avec la source à ionisation de surface de l’ECS MonoNaKe ont démontré qu’il était possible d’obtenir une efficacité d’ionisation importante tout en limitant la température et donc en allongeant sa durée de vie. Le système SISTHE devrait permettre de quantifier cette durée.

Description technique

L’ensemble du dispositif est contenu dans une chambre composée d’un empilement de brides refroidies isolées entre elles par des alumines (pour pouvoir polariser chaque bride). La bride de sortie (n°31 sur la figure V.2) supporte une électrode d’extraction et effectue l’interface mécanique entre la bride du ioniseur et la bride d’entrée de la ligne du banc de test. La bride n°4 est reliée à la sortie du tube ioniseur. La bride n°3 est reliée à l’entrée du tube ioniseur et à une extrémité du four. La bride n°2 est reliée à l’autre extrémité du four. Elle entoure le four dont ses parois sont séparées par trois couches de Papyex (tissus de carbone) qui servent de réflecteur. La bride n°1 est la bride d’interface avec différents équipements : four effusif, pyromètre, support d’échantillons. L’ensemble est maintenu sous vide par l’intermédiaire de la bride n°1 qui sera reliée à un système de pompage (non représenté sur la figure).

L’ioniseur est basé sur le même principe que celui de l’ensemble cible-source MonoNaKe. Il est prévu dans un premier temps de tester les matériaux carbone et rhénium (voire rhénium oxydé) sous forme de tube de 4 mm de diamètre et de 20 mm de long. Si ces premiers tests sont concluants et lorsque la procédure sera mise au point, il sera évidemment possible de tester d’autres matériaux.

Le tube ioniseur (voir figure V.3) est couplé à un four qui contiendra les échantillons d’éléments alcalins à évaporer pour quantifier l’efficacité d’ionisation. Le four en carbone devrait permettre d’atteindre une température de 2000°C. Un four effusif (container chauffé utilisé pour vaporiser des éléments dans les source d’ions stables du GANIL actuel) peut aussi

être adapté à SISTHE de manière à injecter un flux d’atomes alcalins (système qui n’a pas encore été précisément défini).

Les chauffages du tube et du four sont indépendants pour pouvoir ajuster indépendamment le flux d’alcalins injectés et l’efficacité d’ionisation de la source. Cependant, leur proximité conduira probablement à un couplage de leurs températures.

Figure V.2 : Coupe de la source à ionisation de surface SISTHE. Les numéros des pièces sont indiqués dans les cercles.

Tube ioniseur

Four en Carbone Electrode

d’extraction

Cavité chauffée par le four en carbone

Figure V.3 : Tube ioniseur en carbone utilisé dans le cadre de SISTHE d’une longueur de 20 mm et d’un diamètre de 4 mm.

Le dépôt de puissance de chauffage de l’ioniseur permet de contrôler la température mais également la valeur du champ électrique dans le tube ioniseur. Puisqu’un des buts de ce dispositif est de mesurer l’influence de l’oxydation sur le travail de sortie et donc sur l’efficacité d’ionisation de l’ioniseur, une injection de gaz a été prévue à proximité directe de l’ioniseur.

Ce dispositif a été conçu et la mécanique a été réalisée au cours de mon travail de thèse. Le montage et les mesures de caractérisation ont été effectués par A. Pichard qui débute actuellement sa thèse [Pi-07-01].

La source à ionisation de surface SISTHE a été montée sur le banc de test de SPIRAL 1 afin de réaliser des mesures thermiques au niveau du tube ioniseur et au niveau de la cavité four en fonction de la puissance de chauffage ohmique déposée dans le tube ioniseur (en carbone) et dans le four. La figure V.4 montre la lumière émise par l’ioniseur (côté sortie du tube) lors d’une de ses premières montée en température. Le cercle noir central est l’orifice de support de l’électrode d’extraction. Le point lumineux au centre (dont le diamètre réel est de 1,3 mm) est l’extrémité de la gaine chauffée du thermocouple. La zone sombre autour de la gaine est la cavité destinée à accueillir les échantillons d’alcalins.

Figure V.4 : Vue du tube ioniseur de la source à ionisation de surface SISTHE prise côté extraction (puissance ioniseur de 700 W, température égale à 1700°C).

V.3. Conclusion et perspectives

Les différentes contraintes imposées par une installation comme SPIRAL 2 pour l’élaboration d’une source à ionisation de surface ont été présentées. Les matériaux retenus pour l’instant sont le rhénium (ou oxyde de rhénium) et le carbone graphite. Le dispositif a été conçu et est maintenant disponible pour effectuer les tests.

Des mesures de températures du tube ioniseur et de la cavité en fonction de la puissance du four et de la puissance du ioniseur ont été entamées. La prochaine étape consistera à effectuer des mesures d’efficacité d’ionisation.

Une part importante de la difficulté de ces mesures d’efficacité d’ionisation réside dans leur normalisation : elle dépend des mesures absolues du flux d’atomes alcalins injectés dans la source et du courant d’ions extraits de la source. Des solutions techniques sont d’ores et déjà en cours d’étude et de réalisation et feront l’objet d’une partie du travail de thèse d’A. Pichard.

VI. CONCLUSION et PERSPECTIVES

CONCLUSION et PERSPECTIVES

Le but de ce travail de thèse a été d’étudier le processus de transformation atomes-ions dans un dispositif de production d’ions radioactifs de type ISOL au travers d’une approche statistique originale. Cette démarche a été motivée par la volonté d’étendre la palette des faisceaux d’ions radioactifs délivrés par SPIRAL 1.

Cette approche prend en compte la totalité des processus qui interviennent dans la transformation des atomes radioactifs en ions, à savoir leur diffusion dans la cible, leur effusion entre la cible et la source, et leur ionisation d’une façon différente de celles proposées dans des travaux antérieurs.

A l’aide de cette approche, nous avons pu réaliser deux études concrètes participant à l’amélioration des faisceaux d’ions radioactifs pour SPIRAL 1 :

• La première, basée sur une approche macroscopique du processus de diffusion, a été appliquée à des données expérimentales obtenues à l’aide de l’ensemble cible-source TARGISOL. La méthode expérimentale consistait à mesurer le temps de transformation des atomes en ions dans le dispositif. Le but était d’une part de déterminer les coefficients de diffusion de l’Ar dans des cibles en carbone de différentes tailles de grains (1 µm, 4 µm et 16 µm), et d’autre part de les confronter à des résultats antérieurs.

• La seconde étude a consisté à appliquer cette approche au fonctionnement d’une source à ionisation de surface. Le passage de considérations statistiques à des considérations physiques (processus d’ionisation de surface, processus de neutralisation, processus d’effusions atomique et ionique) a permis de mettre en évidence les modifications techniques à apporter pour améliorer l’efficacité de transformation atomes-ions (chauffage du four et chauffage de l’ioniseur indépendants : application d’un champ électrique au niveau du tube ioniseur) par rapport à la première version d’un ensemble cible-source (MonoLithe). Ces modifications de la configuration ont permis de définir et de construire une nouvelle version d’un ensemble de production (MonoNaKe), puis de tester ses performances en ligne pour la production d’isotopes de sodium, potassium et lithium à partir d’un faisceau primaire de 48Ca.

Pour produire des faisceaux d’ions alcalins radioactifs multichargés, il a été nécessaire d’étudier la possibilité de coupler la source à ionisation de surface MonoNaKe à la source ECR actuellement utilisée sur SPIRAL 1, NANOGAN III, puis de réaliser ce couplage. Le système de production résultant NanoNaKe est une version simplifiée du principe 1+/N+ déjà expérimenté à Grenoble. Il répond en outre aux contraintes imposées par le processus de production de SPIRAL 1.

Nous avons développé une source de tests à ionisation de surface (SISTHE) basée sur les mêmes principes que ceux adoptés pour la définition de la source destinée à SPIRAL 1 (MonoNaKe). Son but est de permettre d’étudier le fonctionnement de sources à ionisation de surface en fonction des différents paramètres et dans un futur proche, d’élaborer un prototype de source répondant aux contraintes de SPIRAL 2 (efficacité d’ionisation et durée de vie).

Bilan

Le dispositif TARGISOL a permis d’étudier le relâchement d’atomes d’Ar de cibles en carbone graphite dans des conditions expérimentales très proches. Les temps de relâchement ont pu être déterminés à partir des réponses en temps de cet ensemble. Les efficacités de diffusion macroscopique déduites des temps relâchement ont été directement comparées à celles obtenues en régime continu. Une cohérence entre ces deux méthodes est observée pour la cible 1 µm à haute température et la cible 4 µm. Une statistique insuffisante des données expérimentales pourrait expliquer l’incohérence des résultats entre les deux méthodes pour la cible 1 µm à basse température et la cible 16 µm à haute température, ainsi que l’implantation des noyaux qui n’a pas lieu dans toute l’épaisseur de la cible comme cela a été supposé dans l’approche macroscopique de la diffusion.

L’approche macroscopique du processus de diffusion a permis de mieux rendre compte de la faiblesse du taux de production expérimental de l’31Ar (T1/2 égal à 15 ms)

observé avec SPIRAL 1 par rapport aux modèles antérieurs. Les résultats de cette analyse montrent également que l’origine des pertes pour la production des isotopes d’argon de courte durée de vie réside autant dans le processus d’effusion que dans le processus de diffusion. Des modifications du système de production de SPIRAL 1 sont proposées.

Enfin, l’analyse des résultats a permis de mettre en évidence les conditions expérimentales qui doivent être remplies pour que l’analyse des données expérimentales soit la plus riche possible.

Pour MonoNaKe, les efficacités totales de production des isotopes de sodium (25,26,27Na) et des isotopes de lithium (8,9Li) sous forme d’ions 1+ ont augmenté d’un facteur 4 à 13, comparées à celles issues de l’ensemble cible-source MonoLithe.

Les taux de production des 25,26,27,28,29,30Na+, 36,37,47K+, 8,9Li+ et également des

28,29,30,31_Al+ _{extrapolés aux meilleurs faisceaux disponibles à GANIL pour SPIRAL 1, sont}

comparés aux taux obtenus à ISOLDE et à TRIUMF. Les efficacités totales de production en fonction de la puissance déposée dans le tube ioniseur ont permis d’en déduire que la présence d’un champ électrique dans le tube ioniseur conduisait à un facteur d’amplification N compris entre 7 et 18 selon les cas.

Les rapports entre les efficacités totales de production et les efficacités totales d’ionisation pour chacun des noyaux produits correspondant à un facteur d’amplification N égal à 7 et N égal à 18 ont montré que les pertes par diffusion dans la cible de production et par effusion au sein de la cavité de la cible sont en accord avec celles estimées pour MonoLithe.

Les processus de diffusion et d’effusion associés à l’utilisation du carbone pour la production des noyaux de courte durée de vie de sodium, potassium et lithium restent encore très pénalisants à des températures de la cible et de la cavité proches de 2000 K. Les taux de

production devraient donc pouvoir être améliorés en augmentant la température de la cible et de la cavité cible.

Enfin, afin d’employer la puissance du faisceau primaire maximum disponible au GANIL (3 kW de 36S), il est indispensable de redéfinir la cible de production et son environnement (réflecteur et container).

Pour la première fois, le test sous faisceau de l’ensemble cible-source NanoNaKe a mis en évidence la possibilité de capturer un faisceau de 47K1+ (T1/2 : 17,5 s) de très faible

énergie par un plasma ECR dans une configuration 1+/N+ directe. Cependant, l’efficacité du processus 1+_/N+ _{pour le} 47_K5+ _{est estimée à une valeur de 0,04 % (soit un taux de 4.10}4 _pps

pour un faisceau primaire de 48Ca à 60 MeV/A d’une puissance de 400 W) ce qui reste très faible comparée à l’efficacité du processus 1+/N+ mesurée pour le 39K6+ au LPSC de Grenoble.

La capture du 26Na1+ (T1/2 : 1,072 s) par le plasma de la source ECR n’a pas été mise

en évidence.

L’analyse des résultats expérimentaux a permis d’émettre les hypothèses suivantes concernant l’origine des facteurs de pertes :

 Neutralisation du faisceau d’ions 1+ par le gaz résiduel.

 Dispersions en angle et en énergie du faisceau d’ions 1+ _{induites par le gaz résiduel.}

 Interaction entre le faisceau d’ions 1+ _{et le faisceau d’ions N}+ _{extrait de la source ECR.}

Pour l’ensemble cible-source NanoNaKe, il est donc nécessaire de remédier à ces problèmes pour espérer augmenter l’efficacité de conversion 1+/N+.

La source de test hors ligne SISTHE est maintenant construite et les premiers tests sont en cours.

ANNEXES