Motivation pour le projet SHIRaC @ SPIRAL2
V. Le RFQ Cooler du LPC Caen : SHIRaC
Pour refroidir les faisceaux intenses de Spiral-2 il est indispensable de concevoir un nouveau prototype RFQ Cooler. Ce prototype est appelé SHIRaC (Spiral 2 High Intensity Radiofrequency Cooler). La conception de ce dispositif a été achevée en deux phases.
1. Phase I
L’étude du RFQ Cooler a débuté avec un premier prototype construit au CSNSM-Orsay, puis déplacé en 2007 au LPC Caen. Ce prototype a les caractéristiques suivantes: un rayon interne de 3 mm et 20 segments équidistants dont chacun a une dimension de 40 mm. Il est constitué, principalement, de trois cellules: la cellule d’injection, la chambre de refroidisseur radiofréquence et la cellule d’extraction.
La cellule d’injection permet de décélérer les ions à 100 eV grâce aux deux électrodes de décélération (Figure I.10) et de les injecter adéquatement au sein du refroidisseur. L’injection des ions dans la chambre est réalisée en produisant un minimum d’enveloppe de faisceau à l’entrée du refroidisseur.
La chambre du refroidisseur contient un quadripôle électrostatique porté au système RF et au champ DC de guidage. Cette chambre est remplie d’un gaz tampon, dans ce cas c’est l’hélium.
Une fois les ions refroidis, ils sont extraits par la cellule d’extraction et ré-accélérés à leurs énergies initiales.
Dans la plupart des cas, les refroidisseurs sont équipés de lentilles électrostatiques cylindriques multiples à l’injection et à l’extraction, comme les lentilles doubles du
refroidisseur d’ISCooL [Pod04]. Pour le 1er prototype du SHIRaC nous avons utilisé des
lentilles coniques (figure I.9) dont l’étude et le développement ont été réalisés par R.Lambo à l’université McGill [Lam05].
Fig.I.11: Design de 1er prototype de SHIRaC : (haut) vue d’ensemble, (en bas à gauche) la cellule d’injection, (en bas à droite) la cellule d’extraction [Lam05].
Les tensions RF mises en œuvre sont de l’ordre de 1.5 kV à quelques MHz. La source à ionisation de surface utilisée permet d’obtenir des faisceaux d’ions stables d’intensité d’environ 25 nA et d’émittance 5110 3.mm.mrad à 3 KeV. À une pression de 1Pa dans la chambre du refroidisseur, seul 25 % des ions sont transmis. Le faisceau d’ions refroidis possédait de bonnes qualités optiques, en termes de dispersion en énergie (inférieure à 1 eV) et d’émittance (512 3.mm.mrad)[Gian08]. Dans le tableau I.3 sont présentés les résultats expérimentaux obtenus avec les deux masses A=23 u.m.a et A=87 u.m.a.
Transmission % 23Na+ 25 87Rb+ 25 560KeV 1(2.0±0.2)3.mm.mrad 4E 146±4 meV Tension RF (kV) 1.8 Fréquence(MHz) 5 Pression (Pa) 1
Tab.I. 3: Synthèse des résultats expérimentaux du SHIRaC phase 1.
1. Phase II
L’inconvénient du premier prototype était la mauvaise transmission obtenue à faible intensité. Ceci est du au faible rayon interne du RFQ et aux faibles tensions de confinement
utilisées. Sachant qu’à haute intensité, la transmission serait dégradée par l’effet de charge d’espace. Il était donc nécessaire de développer un nouveau refroidisseur avec un système RF capable de fournir des tensions RF de confinement élevée, de l’ordre de quelques kV.
La perte des ions peut être due à trois causes. Pendant l’injection, à cause de l’augmentation de l’émittance du faisceau, les ions seront perdus suite à leurs collisions sur les barres du RFQ. Les ions peuvent également s’échapper de l’intérieur du Cooler si le champ RF de confinement est insuffisant pour les retenir. La troisième cause de perte des ions est leurs rebroussements de chemin suite à une interaction avec une phase de la tension RF incohérente. La phase de la tension RF est dite incohérente lorsqu’elle produit un fort gradient de champ dans le sens inverse de propagation des ions [Lunn99]. Ce phénomène sera expliqué en détail dans les chapitres 4 et 5.
Pour pallier la première cause il faut augmenter l’ouverture du RFQ, son rayon interne. Pour contrer la seconde cause, il faut pouvoir utiliser des valeurs élevées des tensions RF de confinement (quelques kV) et des fréquences élevées (quelques MHz).
Des simulations numériques d’un Cooler de 18 segments équidistants, d’une longueur de 40 mm chacun, ont montré que l’augmentation du rayon interne du Cooler de 3 à 5mm (Figure I.11) et l’utilisation de tensions RF de confinement de 10kV étaient suffisantes pour obtenir une transmission supérieure à 60 %.
En plus de la transmission, il est nécessaire d’avoir une faible émittance. La simulation du
refroidissement d’un faisceau d’ions de 133Cs+ avec une intensité de 1 µA, une pression du gaz
tampon de 5 Pa, une tension de 10 kVpp et une fréquence de 5.42 MHz, montre que l’émittance reste du même ordre de grandeur que celle trouvée pour SHIRaC I (Figure I.12).
Fig.I.12: Simulation numérique d’un faisceau de 133Cs+ pour le RFQ Cooler SHIRaC phase 2 [Duv09].
Le développement du système RF sera abordé dans ce manuscrit. Nous devrons concevoir un système RF capable de délivrer des tensions de 110 kV à des fréquences de quelques MHz. La sélectivité du circuit RLC et la résistance aux échauffements, dus aux tensions RF élevées, seront incluses au troisième chapitre.
Avec le second prototype, nous allons nous servir des lentilles d’Einzel pour l’injection et l’extraction. Les électrodes de masse seront remplacées par des électrodes cylindriques précédées par des disques de faibles diamètres: 8= 50 mm à l’injection et 8=10 mm à l’extraction (Figure I.13).
Le phénomène de décharge électrique sera particulièrement étudié dans ces travaux. Cet effet peut se produire, principalement, dans trois zones. En premier lieu, on peut l’avoir entre les segments du Cooler et les disques d’injection ou d’extraction. Cela est du à deux causes: la pression du gaz tampon et la différence de potentiel entre les électrodes et les segments. En deuxième lieu, une différence de potentiel entre les électrodes de masse et les lentilles peut engendrer des claquages. Enfin, on peut les détecter entre les jonctions hautes tension-masse.
Fig.I.13: Design du second prototype de SHIRaC: (haut) vue d’ensemble, (en bas à gauche) la cellule d’injection, (en bas à droite) la cellule d’extraction.
Le dernier facteur qui sera pris en compte pour améliorer la qualité optique des faisceaux d’ions refroidis est la diffusion du gaz tampon à travers les orifices d’injection et d’extraction. L’augmentation de la capacité de pompage des pompes turbo-moléculaires, placées de part et d’autre de la chambre du refroidisseur, et l’ajout des conductances peuvent réduire la diffusion du gaz vers la chambre du HRS ou vers la source d’ions.
La mise à disposition de ce Cooler à SPIRAL-2 requiert, en dehors des études et tests de la transmission, de l’émittance et de la dispersion en énergie, la validation de ce prototype à haute tension (10 kV - 60 kV). L’énergie des ions émis par les sources à ionisation de surface ne pouvant pas dépasser 5 keV, nous validerons ce prototype à haute tension sans faisceaux et en présence du gaz tampon.