Les faisceaux d’ions radioactifs acc´el´er´es offrent un int´erˆet croissant pour la m´edecine, l’industrie, et la recherche. Cependant, il n’existe pas encore d’acc´el´erateur capable de g´erer toute la vari´et´e
des faisceaux d’ions produits. Des techniques de multi-ionisation permettent d’´etendre
la gamme des faisceaux que peuvent accepter les postacc´el´erateurs. Ces techniques
utilisent la collision entre les ions simplement charg´es du faisceau et des ´electrons libres, selon trois variantes repr´esent´ees sch´ematiquement en Figure 1.2:
• La technique des “Stripping Cells” est largement r´epandue depuis maintenant plus de trente ans [39]. Elle produit des ions multicharg´es avec une efficacit´e ´elev´ee (Table 1.1) et elle est au centre de plusieurs d´eveloppements innovants [47, 35, 43, 38]. Des mesures r´ecentes montrent que cette technique supporte des faisceaux incidents de quelques microam-p`eres d’intensit´e [44]. Son principal d´esavantage demeure le coˆut `a engager pour la pr´e-paration et la pr´e-acc´el´eration du faisceau, ainsi que pour la maintenance des cellules de stripping lors d’un usage `a haute intensit´e. Il ne s’agit pas d’une solution compacte. • L’utilisation de l’EBIS pour la pr´e-injection d’ions multi-ionis´es dans les acc´el´erateurs
connaˆıt un certain essor [57, 58] en raison des excellents r´esultats en terme d’efficacit´e et de rapidit´e de l’´el´evation de la charge ([54], voir les exemples de la Table 1.2). En revanche, l’EBIS n´ecessite une maintenance qui peut se r´ev´eler d´elicate dans un complexe de production de faisceaux d’ions radioactifs. En outre sa limitation intrins`eque de capacit´e de charge se traduit par une limite de l’intensit´e des ions multicharg´es produits.
• Enfin, la source ECR connaˆıt depuis une dizaine d’ann´ees des d´eveloppements pour ˆetre transform´ee en ´el´evateur de charge [72, 87]. Les performances actuelles avec des faisceaux intenses d’ions stables [23] encouragent le d´eveloppement des ´el´evateurs de charge ECR pour les futures installations de production des faisceaux d’ions exotiques. Depuis 2001, un ´el´evateur de charge ECR est d´edi´e `a des tests avec des faisceaux radioactifs au CERN
[91, 29], et sert de support exp´erimental pour cette ´etude. Il s’agit ´egalement de la solution qui a ´et´e propos´ee pour les intensit´es d’EURISOL [22].
Les constituants essentiels de la source ECR sont une haute tension pour d´ec´el´erer le faisceau d’ions incident, une onde Haute Fr´equence (HF) pour allumer un plasma, et un champ magn´etique pour le confinement du plasma (voir Figure 1.7). Dans le plasma, il existe une zone o`u le mouvement giratoire des ´electrons le long des lignes de champ magn´etique est en r´esonance avec l’onde HF (voir Figure 1.5): c’est la R´esonance Electronique Cyclotronique, ou ECR. Les ´electrons qui traversent cette zone gagnent stochastiquement l’´energie suffisante pour ioniser les ions du plasma lors de collisions [71].
Selon que le faisceau inject´e est constitu´e d’ions stables ou d’ions radioactifs, des m´ethodes exp´erimentales sp´ecifiques sont mises en place. L’injection des ions stables est puls´ee (m´ethode “beam ON - beam OFF” illustr´ee en Figure 1.12) afin de d´etecter au-dessus du seuil du bruit de fond les cr´eneaux correspondants des ions multicharg´es extraits de l’ECR. Dans ce cas, la source
ECR fonctionne en mode continu, c’est-`a-dire que l’onde HF est appliqu´ee en permanence. En
mode puls´e, l’onde HF est appliqu´ee de mani`ere discontinue. Lorsque l’onde HF n’est plus ap-pliqu´ee, les ´electrons rapides s’´echappent du plasma, le plasma ECR s’´eteint et les ions qui ´etaient confin´es sont relˆach´es d’un seul coup: il s’agit du pic “afterglow”([76], voir Figure 1.13). Ce mode est particuli`erement adapt´e `a la multi-ionisation des isotopes de courte dur´ee de vie [94, 75].
Le travail de th`ese fut men´e au complexe de s´eparation des isotopes en ligne
(Isotope Separation On-Line ou ISOL) du CERN, nomm´e ISOLDE [97]. On y produit une grande vari´et´e d’isotopes stables et radioactifs par des r´eactions de fission, spallation ou fragmentation d’un faisceau de protons de 1.4 GeV sur une cible ´epaisse. Les produits sont extraits de la cible, ionis´es, puis acc´el´er´es `a un potentiel maximal de 60 kV vers les exp´eriences. Un ´el´evateur de charge ECR, la source de “Production Hautement Optimis´ee d’Electrons, de Noyaux Ionis´es et de rayons X”, dite PHOENIX [95], a ´et´e install´e sur une ligne de test exp´eri-mentale apr`es la s´eparation en masse du faisceau d’ions simplement charg´es. La ligne de faisceau est repr´esent´ee en Figure 1.10. Un dipˆole magn´etique s´electionne l’´etat de charge du faisceau d’ions multicharg´es extrait de l’ECR. Le courant des ions stables multicharg´es est mesur´e dans une cage de Faraday, tandis que les ions radioactifs sont implant´es sur un d´erouleur de bande pour ˆetre identifi´es et s´electionn´es par la d´etection des co¨ıncidences bˆeta-gamma.
La source PHOENIX est particuli`erement d´edi´ee `a l’´etude des performances d’une source
ECR utilis´ee en ´el´evateur de charge avec des ions radioactifs. En effet, malgr´e les
nom-breuses ´etudes r´ealis´ees avec des faisceaux stables, certaines conditions sp´ecifiques
aux faisceaux exotiques n’ont jamais ´et´e test´ees.
Premi`erement, l’acceptance en termes d’´emittance, d’intensit´e et de masse du faisceau d’ions incident doit ˆetre test´ee avec une grande vari´et´e d’isotopes. Dans cette perspective, un banc de test en ligne dans un complexe de production tel que ISOLDE est un atout.
R´esum´e du chapitre 1 43
En outre, le probl`eme de la contamination prend toute son importance lorsqu’on travaille avec des faisceaux d’ions radioactifs. Des intensit´es faibles, des probabilit´es de d´ecroissance radioactive vari´ees, un bruit de fond non n´egligeable d’isotopes neutres diffusant dans les lignes de faisceau, compliquent la production efficace d’un faisceau pur d’ions multicharg´es.
Les tests exp´erimentaux doivent permettre de comparer l’efficacit´e et la rapidit´e de l’´el´evation de la charge pour divers ´el´ements chimiques, diverses masses, et diverses intensit´es de faisceaux stables et radioactifs. Un addendum au programme de tests d´emarr´e en 2003 a ´et´e propos´e et
accept´e en 2005 [105]. Celui-ci vise notamment `a compl´eter les connaissances concernant: les
processus chimiques intervenant dans l’´el´evation de charge, les cons´equences de la d´ecroissance radioactive sur la capture des ions dans le plasma ECR, et le fonctionnement en mode puls´e (voir chapitre 2). Ces sujets sont abord´es dans la th`ese.
Le but du travail de th`ese est donc de compl´eter l’investigation des performances
de l’´el´evateur de charge ECR PHOENIX avec des ions radioactifs, ainsi que d’´etudier
les possibilit´es d’application des faisceaux d’ions radioactifs multicharg´es par l’ECR
`
a des exp´eriences de physique.
Les tests exp´erimentaux auxquels j’ai particip´e et dont j’ai analys´e les r´esultats (voir chapitre 2) visent tout d’abord `a mesurer l’efficacit´e et la rapidit´e de l’´el´evation de la charge pour divers isotopes. La structure en temps du faisceau extrait (continu ou puls´e) doit ´egalement ˆetre ´etudi´ee. Ensuite, on constate qu’une comparaison objective des performances ECR avec celles des autres techniques de multi-ionisation requiert l’am´elioration du dispositif existant, notamment un vide de meilleure qualit´e et une meilleure s´eparation en masse et en ´energie du faisceau extrait. J’ai entrepris la majeure partie de ces d´eveloppements dans le cadre de ma th`ese (voir chapitre 3).
Finalement, `a la lumi`ere des nouveaux r´esultats, je compare les performances ECR `a celles des autres techniques de multi-ionisation. J’effectue un bilan quant aux applications imm´ediates
ou `a moyen-terme de l’´el´evateur d’´etat de charge PHOENIX. En tant que porte-parole d’une
exp´erience d’application `a l’astrophysique, j’ai pu organiser au sein d’une nouvelle collaboration un dernier temps de faisceau. Je pr´esente les r´esultats d’une analys´e pr´eliminaire de ce test, que j’ai pu effectuer avant de rendre ce manuscrit.