Les mesures de profils

Dans le cadre de l'utilisation des faisceaux de protons, différents types de profileurs existent en fonction des phénomènes physiques utilisés. Ces derniers sont essentiellement :

Gl'émission secondaire,

Gl'ionisation du gaz résiduel ou d'un gaz injecté,

Gla luminescence.

Remarque : Le rayonnement de transition est un phénomène qui n'est pas applicable à notre

cas, car cet effet n'est mesurable que pour des particules relativistes, ce qui est loin d'être le cas des protons du projet IPHI, même aux plus hautes énergies.

Les différentes mesures de profils doivent être faiblement interceptives pour des raisons évidentes de puissance de faisceau déposée, mais aussi par l'effet que peut avoir un instrument interceptif sur le faisceau :

Ø un éclatement du faisceau, Ø une perte d'énergie,

Ø dans un cas extrême, une absorption du faisceau de particules.

Nous allons donc expliciter plus en détails les différents phénomènes physiques, ainsi que les instruments existants avec leurs avantages et inconvénients lors de l'utilisation pour la mesure de profil d'un faisceau de protons de type IPHI.

II.4.1 Profileurs à émission secondaire

Lorsqu'un faisceau de particules entre en interaction avec un fil, des électrons de faible énergie en sont extraits : ce sont des électrons secondaires. Ces derniers sont générés en nombre proportionnel au nombre de particules incidentes. Ce phénomène peut donc être utilisé pour mesurer un profil de densité de protons.

Remarque : Le facteur de proportionnalité correspond au taux d'émission secondaire du

matériau utilisé. Ce taux varie généralement de 0.1 à quelques dizaines.

Les instruments de mesures utilisant le phénomène d'émissions secondaires sont construits avec des fils parallèles disposés en "peigne" comme le montre la figure II.2. Ces fils sont les plus fins possibles, afin de minimiser les perturbations apportées au faisceau de protons. De plus, la résolution de ce type de profileur dépend de leur nombre car chaque point du profil acquis correspond à un fil. Par exemple, le profil acquis par le profileur de la figure II.2 sera reconstruit à partir de l'information de 32 fils.

Fig. II.2 – Principe d'un profileur de faisceau de type grille.

Les épaisseurs de fils sont généralement de l'ordre de 20 µm pour des fils en aluminium et 7 µm pour du titane [II.1]. Des premières études d'échauffement de fil en SiC au contact d'un faisceau intense ont montré des températures supérieures à 1600 K, avec de faibles cycles utiles et des vaporisations en quelques millisecondes avec un faisceau continu [II.2]. Il est donc impossible d'envisager ce dispositif pour mesurer les nouveaux faisceaux intenses.

Toutefois le phénomène d'émission d'électrons secondaires est utilisable avec un fil mobile ("Wire scanner" en anglais). Ce fil est généralement en carbone ou en béryllium, de petit diamètre (~30 µm). Il traverse le faisceau horizontalement ou verticalement (figure II.3). On détecte le nombre d'électrons secondaires, à nouveau proportionnel au nombre de particules, au cours du déplacement en corrélant avec sa position.

Fig. II.3 – Principe du profileur à fil mobile.

La complexité d'un tel système se situe au niveau mécanique. En effet, afin d'éviter l'échauffement excessif du fil, ce dernier doit passer à travers le faisceau à une vitesse de quelques m/s. D'après les études de la référence [II.2], une vitesse de l'ordre de 5 m/s permet de maintenir une température de l'ordre de 1250K pour le fil de SiC. De telles vitesses impliquent une mécanique de motorisation capable de tels déplacements. Cela induit des moteurs rapides, qui peuvent engendrer des vibrations mécaniques aptes à perturber les mesures. Des études sont actuellement en cours pour les mesures du faisceau du projet IPHI.

II.4.2 Profileurs à ionisation du gaz résiduel

Lorsque le faisceau de particules est transporté au sein d'un tube à vide, il existe toujours une pression de gaz résiduel. Les molécules de celui-ci sont donc ionisées par les protons de forte énergie créant ainsi des paires électrons – ions. Un champ électrique placé dans la région permet, comme le représente la figure II.4, d'accélérer les ions ou les électrons sur un dispositif de collection. Ces particules sont donc détectées par une série de collecteurs de charges sous forme de "peigne", par des galettes micro canaux [II.3] ou encore par un écran luminescent associé à une caméra vidéo [II.4].

Fig. II.4 – Dispositif de mesure de profil par ionisation du gaz résiduel

Ce type de détecteur est généralement utilisé pour la mesure des profils de faisceau de faible intensité. Cependant, dans le cas des faisceaux intenses, le phénomène de charge d'espace, explicité en annexe 1, va créer ce que l'on appelle des puits de potentiels. Ces derniers vont perturber les trajectoires des électrons et des ions, de telle sorte que la résolution spatiale du profileur sera limitée.

Malgré cela, ce diagnostic est très intéressant car il est très faiblement interceptif. C'est donc à la suite de mesures permettant de comprendre le phénomène de charge d'espace qu'une étude de faisabilité d'un profileur par ionisation du gaz résiduel sera engagée.

II.4.3 Profileurs à écrans luminescents

Lorsque des particules passent à travers un écran luminescent, une partie de l'énergie déposée excite les structures électroniques des atomes constituant le matériau. Ce dernier émet une lumière à une longueur d'onde connue lors de sa désexcitation.

L'écran est donc mis en contact avec le faisceau avec un certain angle (souvent 45°), comme représenté sur la figure II.5, et la luminescence est détectée à l'aide d'un dispositif optique et d'une caméra. Cela permet d'avoir directement une coupe transverse du faisceau.

Fig. II.5 – Montage type d'un profileur par écran luminescent.

La limitation de ce type de profileur est la résolution des mesures à cause de l'épaisseur de l'écran (~1 mm) avec un angle de 45° et si l'écran n'est pas parfaitement plat [II.5]. Cette résolution peut être améliorée si l'épaisseur de l'écran est plus faible, mais cela n'est pas du tout compatible avec l'application aux faisceaux intenses. En effet, ce dispositif est totalement interceptif, cela signifie que l'écran sera totalement détruit au premier contact avec le faisceau.

Conclusion

Après avoir fait l'énumération des différents diagnostics existant, nous avons centré notre étude sur la mesure du profil de faisceau. Malgré le nombre important de diagnostics de mesure de profils, un très faible nombre semble adapté aux faisceaux intenses. En effet, seul l'instrument à fil mobile utilisant la détection d'électrons secondaires est envisageable.

Toutefois, malgré le fait que le principe de profileur par écran luminescent ne soit pas adapté à la mesure de profils de faisceaux intenses, le phénomène de luminescence est à prendre en considération dans le contexte du développement de diagnostics non interceptifs. En effet, lors du passage du faisceau de particules au sein d'un gaz résiduel, ce dernier est ionisé, mais aussi excité. Lors de sa désexcitation, une luminescence est émise qui peut amener à développer de nouveaux types de diagnostics utilisant la technologie optique, afin de soustraire des informations du type profil à partir de ce phénomène physique. C'est ce qui va être explicité dans les chapitres suivants avec une application directe sur le faisceau d'IPHI.

Annexes