Distribution du gaz dans la ligne du SHIRaC

Les mesures des pressions faites sur le système de vide du SHIRaC (Figure III.21) nous permettent de calculer les conductances moyennes et d’estimer les pressions et les conductances souhaitées dans le cas où d’autres cellules seraient ajoutées à la ligne, comme un triplet d’extraction ou une chambre pour la réduction de la pression au niveau de la source.

a. Mesures de la pression :

Dans le tableau ci-dessous sont rassemblées des mesures de la pression pour différents débits. Les pressions de refroidissements dans la chambre du quadripôle sont de quelques Pa. Ces niveaux de pression sont atteints par des débits de quelques dizaines de ml/min. À titre d’exemple, pour obtenir une pression de 2.5 Pa on injecte du gaz à un débit de 25 ml/min.

augmentation de la pression a été constatée dans la cellule d’injection par rapport à celle d’extraction et s’explique par la différence dans les ouvertures d’orifices d’injection et d’extraction qui valent respectivement 8 et 6 mm.

Fig.III. 22: Distribution de la pression dans la ligne du SHIRaC pour des pressions allant de 1.5 à 3 Pa dans la chambre du RFQ.

Pour des pressions dépassant 2.5 Pa dans la chambre de RFQ, les pressions dans les

cellules d’extraction et d’injections dépassent$roB±. Ces niveaux de pressions peuvent

dégrader un faisceau de quelques eV.

En sortant de la chambre de refroidissement, les ions se retrouvent dans une zone déserte de champ de confinement et avec des énergies de quelques eV c’est pourquoi la réduction de la diffusion du gaz est nécessaire.

b. Calcul des conductances moyennes

La figure III. 23 montre le système équivalent de pompage du SHIRaC dont les pompes turbo-moléculaires et leurs vitesses de pompage de l’hélium sont indiquées en bleu. Les jonctions entre les cellules sont des conductances. Ces dernières peuvent être calculées en supposant que les bilans des flux du gaz entrant et sortant sont égaux à l’équilibre [Moore00]. Le système équivalent est accompagné des valeurs de dimensions des électrodes qui font la connexion entre les cellules. Ces valeurs nous permettent de calculer les conductances de ces électrodes.

La faible dépendance des conductances à la pression nous autorise à utiliser une conductance moyenne. Ces valeurs moyennes des conductances sont :

- La conductance de la source: '_67GH(  (ÂI

- La conductance de la cellule d’injection :'_4öJ(H%47ö  )ÂI

- La conductance de la cellule d’extraction :'_{(ï%îH%47ö}  )ÓÂI

- La conductance de la cible :'_H41õ(  (ÂI

Cette étape nous permettra d’estimer la distribution de la pression dans des zones supplémentaires.

Fig.III. 23: Système équivalent de l’ancienne configuration de SHIRaC.

6. Optimisation du vide du SHIRaC

a. Conductance de la source

Lors des premiers tests expérimentaux, nous avons constatés que les meilleures pressions de refroidissement sont entre 2.5 et 3.5 Pa. À ces valeurs de la pression dans le RFQ

celles mesurées au niveau de la chambre de la source dépassaient 10^-5 Pa.

Pour obtenir une intensité de 1 µA nous avons appliqué une tension de 1.1 V sur le filament (Figure III. 24). L’intensité maximale délivrée par la source a atteint 1.8 µA pour une tension de 1.2 V. Après 130 heures d’utilisation, une réduction importante de l’intensité de courant a été détectée. Cette réduction est sans doute due à l’effet de la pression dans la chambre de la source car il est noté dans la référence [Kimb] de la source qu’on ne doit pas

dépasser une pression de 10-5 Pa.

Fig.III. 24: Mesures de courant délivré par la source : (à gauche) mesures effectuées après 2 heures de fonctionnement, (à droite) mesures effectuées après 130 heures de fonctionnement.

La solution envisageable est d’apporter une modification géométrique à la chambre et une pompe turbomoléculaire (Figure III.26). En utilisant une pompe turbomoléculaire de vitesse 300 l/s nous devons trouver les meilleures dimensions d’une conductance cylindrique qui doit répondre aux exigences énoncées ci-avant.

La figure III.25 représente l’optimisation des dimensions de la conductance de la source. Les courbes de la figure III.25 (à gauche) expliquent bien l’effet de la longueur et de l’ouverture sur la valeur de la conductance. En effet, la conductance diminue avec la longueur et augmente avec le diamètre. Les valeurs de la pression dans la chambre de la source correspondant aux valeurs de la conductance à différentes longueur et diamètres de cette

1#F1 5FF1 1F-1 5FF1 16"F1 5FF11 C85¹ 3236¹ C237¹ C5C¹ 1F1 5FF1

dernières sont présentées dans la figure III.25 (à droite). Ces valeurs de la pression pouvant

être inférieure à $)($r¿B± pour certaines dimensions de la conductance.

Fig.III. 25: Dimensionnement de la conductance de la source : variation de la conductance en fonction de la longueur de la source à différentes diamètres (à gauche) et variation de la pression

dans la chambre de la source en fonction de la longueur de la source à différentes diamètres (à droite).

Pour valider ce travail nous devons étudier le pouvoir de la transmission des ions à travers cette conductance. La taille minimale du faisceau à une distance de 85 mm de la source est de 1.5 mm (Figure III.29). Seules les simulations peuvent nous conduire à choisir les meilleures dimensions de la conductance ; sa longueur et son diamètre.

Les simulations numériques nous ont montrées que pour une conductance de longueur 150 mm et de diamètre 12 mm la transmission est de 100 %.

b. Distribution de la pression

A part l’ajout de la chambre de la source, l’ancienne configuration de SHIRaC a subi d’autres modifications consistant à ajouter une chambre pour le triplet d’extraction et une chambre pour l’émittance-mètre (Figure III.26). Nous remarquons que la pression dans la

chambre de la source ne dépasse pas 10^-5 mbar pour des débits allant jusqu’à 35 ml/mm. Ce

résultat valide la conductance ajoutée.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 C o n d u c ta n c e H e (l /s ) Longueur (cm) Φ=0.8 cm Φ=1 cm Φ=1.2 cm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 P^s o u rc e .1 0 -4 (^P a ) Longueur (cm) Φ=0.8 cm Φ=1 cm Φ=1.2 cm

Fig.III. 26: Nouvelle configuration du système de vide après l’ajout d’une pompe turbo pour la réduction de la pression dans la source, une chambre pour le triplet d’extraction et une chambre

pour l’émittance-mètre.

IV. Instruments de mesure

La détermination des performances du RFQ exige la mesure de certaines grandeurs physiques telles que la transmission des ions à travers le système, l’émittance du faisceau et la pureté des ions refroidis.

La mesure de ces grandeurs requiert des instruments de mesures spécifiques. La transmission peut être déterminée en mesurant, à l’aide d’une cage de Faraday, les intensités du courant à l’entrée et à la sortie du RFQ. L’émittance exige l’utilisation d’un Pepperpot émittance-mètre placé en aval du triplet d’extraction. La pureté des ions peut être contrôlée par observation des spectres du temps de vol à l’aide d’une galette micro-canaux. Enfin, pour tester la pureté du gaz au sein de la chambre du RFQ nous disposons d’un spectromètre de masse. Tous ces instruments sont détaillés dans cette partie (Figure III. 27).

Fig.III. 27: La ligne expérimentale de SHIRaC et les instruments nécessaires aux caractérisations du faisceau refroidi.