port analysé - Voie 8
Le deuxième angle de déviation induit par l’électro-aimant SW2 est un angle, non nul, de 45˚. Pour acheminer le faisceau d’ions vers la ligne 8, un champ magnétique doit alors être créé au sein de l’électro-aimant de déviation. La valeur du champ magnétique nécessaire à cette déviation est donnée par la relation :
B =BR Ra tgφ 2 (1.1) où BR= √ 2mE
q est la rigidité magnétique de la particule et Ra est le rayon
de courbure de l’aimant (260 mm). Dans le cas de protons de 3 MeV, le champ magnétique vaut 3,973 10−4 T.
Le faisceau arrive alors aux électro-aimants suivants. Les deux électro-aimants, A1 et A2 doivent être considérés ensemble. Cette paire d’électro-aimants est appelée le doublet achromatique ou l’analyse. Ce doublet joue un double rôle sur le transport du faisceau d’ions :
• les deux électro-aimants “Berkeley” placés en sens inverse dévient le faisceau d’ions d’un angle de 90˚ chacun. Ils permettent ainsi de cor- riger les aberrations qu’engendreraient chacun des deux aimants s’ils étaient pris séparément. Pour ce faire, ils sont placés de telle manière que le foyer image du premier électro-aimant A1 corresponde au foyer objet du second électro-aimant A2. De plus, vu leurs tailles impor- tantes, même s’ils ont été usinés à l’identique, il perdure de légères différences qui peuvent modifier le transport du faisceau. Une alimen- tation de correction a été installée et calibrée afin de compenser au mieux les variations entre les deux électro-aimants ;
CHAPITRE 1. LE CYCLOTRON CGR-MEV 520 83
• le doublet achromatique permet également de diminuer la dispersion en énergie. En effet, il est connu par la relation 1.1 que l’angle de dé- viation dépend de l’énergie des particules, donc, si un collimateur est placé à la sortie de l’ électro-aimant A1, les particules qui ont trop ou trop peu d’énergie seront arrêtées par celui-ci. En jouant sur la valeur du champ magnétique, il est possible de choisir finement et précisé- ment l’énergie du faisceau. Un champ de 2.17 10−4 T est nécessaire pour dévier des protons de 3 MeV de 90˚ avec des électro-aimants de ce type (RC = 1148 mm). Dans la pratique, l’électro-aimant A1 assure
la sélection en énergie et influe donc en grande partie sur la résolution en énergie du faisceau.
Pour pouvoir analyser des objets, il faut que la taille du faisceau soit plus petite que la taille de la zone de l’échantillon-cible à étudier. Il est nécessaire d’obtenir un faisceau de taille au moins millimétrique. De ce fait, la collimation et la re-focalisation sont inévitables. Les deux opérations ont toutefois des influences assez différentes sur le faisceau d’ions. Effectivement, une forte collimation du faisceau ne fait que diminuer, par simple perte, le courant reçu par l’échantillon-cible. Par contre, une re-focalisation par l’intermédiaire de lentilles magnétiques (par exemple un quadrupôle) tend à resserrer spatialement des particules d’énergies différentes qui avaient été séparées par les différents systèmes de déviation. Ceci a pour effet immédiat de ré-augmenter la dispersion en énergie. Dans la pratique, il faut trouver un compromis judicieux qui permet d’utiliser un minimum de systèmes de re- focalisation du faisceau et la taille des collimateurs pour avoir suffisamment de courant d’analyse.
Trois collimateurs sont disposés le long du parcours du faisceau afin d’en diminuer la taille, tout en gardant un flux de particules suffisant. Les col- limateurs sont des disques d’alumine (Al2O3), recouverts d’une fine couche
conductrice de carbone afin d’évacuer les charges, percés en leur centre d’un trou de quelques millimètres de diamètre. Ils permettent également de vi- sualiser le faisceau au moyen de caméras CCD, l’alumine ayant la propriété d’émettre de la lumière visible sous l’impact de protons ou de particules α. La visualisation du faisceau facilite le guidage de celui-ci. Les collimateurs sont placés : avant le premier électro-aimant monochromateur A1 (3 mm de diamètre), à mi-distance du doublet achromatique (1,7 mm de large sur 4 mm de haut) et à la sortie du second électro-aimant monochromateur A2 (1,7 mm de diamètre). Ils absorbent une partie des particules destinées à l’échantillon analysé, ce qui est sans conséquence étant donné que le flux de
CHAPITRE 1. LE CYCLOTRON CGR-MEV 520 84
particules produit par le cyclotron est bien supérieur au flux nécessaire en sortie de ligne.
Après le passage dans le doublet achromatique, le faisceau est focalisé au moyen de trois lentilles magnétiques. Les quadrupôles ont été centrés sur la ligne de transport et les protons ou les particules α les traversent en leur centre. Trois quadrupôles sont nécessaires car chaque lentille magnétique focalise le faisceau dans une direction (l’axe x sur la figure 1.13) mais le disperse dans la direction perpendiculaire (l’axe y sur la figure 1.13). En plaçant plusieurs système de focalisation de ce type, que l’on fait tourner d’un angle de 90˚ les uns par rapport aux autres, on parvient à focaliser le faisceau dans les deux directions x et y. Le faisceau collimaté et focalisé arrive alors à la zone de travail de la ligne de transport analysée (8). Cette zone de travail a fait l’objet de nombreuses améliorations qui sont explicitées dans la section suivante.
Figure 1.13 – Quadrupôle magnétique. Les flèches rouges représentent les lignes de champ, les flèches simples, le sens des composantes (x,y) du champ magnétique et les flèches doubles, les forces appliquées sur des particules chargées positivement.
1.4.1 Amélioration de la résolution en énergie du faisceau La résolution en énergie du faisceau a été mesurée, de manière iden- tique que pour la voie 5, dans une chambre sous vide à la fin de la ligne de transport analysée. La résolution est passée de 36 keV à 2 keV. Cette amélio- ration importante de la résolution en énergie permet dorénavant d’obtenir des spectres RBS avec une bonne résolution en masse. En effet, la voie 8 a été construite afin de combiner plusieurs méthodes IBA simultanément : PIGE, RBS et PIXE.
CHAPITRE 1. LE CYCLOTRON CGR-MEV 520 85
1.4.2 Système du vide
Le transport du faisceau se fait dans les lignes sous vides. Afin de pouvoir mettre à l’air l’un ou l’autre tronçon des lignes, plusieurs vannes ont été po- sitionnées à des endroits stratégiques (figure 1.3). Chaque tronçon bénéficie de son propre système de pompage.
• Le cyclotron est isolé du reste des lignes par la vanne V0. Une cage de Faraday AFRO est placée derrière cette vanne de manière à mesurer la valeur du courant du faisceau après l’extraction hors de l’accéléra- teur. Cette cage de Faraday est commandée à distance et c’est elle qui descend dans la ligne de transport pour stopper le faisceau entre les analyses. Elle est située à l’intérieur de la casemate, hors de la salle contrôlée, et elle permet donc de travailler en toute sécurité aux abords des zones de travail même quand le faisceau est extrait du cyclotron. Le cyclotron jouit d’une pompe primaire Pfeiffer [51] et d’une pompe secondaire Balzers à diffusion dont la valeur du vide est reprise sur le tableau de bord de la salle de commande.
• Le tronçon entre la vanne V0 et la vanne V5 jouit d’une pompe pri- maire et d’une pompe secondaire Pfeiffer placées du côté de la vanne V0.
• La zone de travail de la ligne directe (5) est isolée au niveau de l’électro- aimant SW2 par la vanne V5. Le tronçon jouit d’une pompe primaire et d’une pompe secondaire Pfeiffer dont la valeur du vide est reprise sur le tableau de bord de la salle de commande.
• Le tronçon comprenant le doublet achromatique est isolé du reste de la ligne de transport analysée (8) par les vannes V8.0 et V8.1. Il jouit d’un système de pompage légèrement différent des autres tronçons. En effet, il y a une pompe primaire sèche reliée à deux pompes turbo- moléculaires sèches Pfeiffer dont la valeur du vide est également reprise sur le tableau de bord de la salle de commande.
• Le tronçon comprenant les trois quadrupôles est isolé du reste de la ligne de transport analysée (8) par les vannes V8.1 et V8.2. Il jouit d’une pompe primaire sèche reliée à une pompe turbo-moléculaire sèche Pfeiffer dont la valeur du vide est reprise sur le tableau de bord de la zone de travail en salle contrôlée.
CHAPITRE 1. LE CYCLOTRON CGR-MEV 520 86
• Finalement, la zone de travail est isolée du reste de la ligne de trans- port analysée (8) par la vanne V8.2. Elle jouit d’une pompe primaire sèche reliée à une pompe turbo-moléculaire sèche Pfeiffer dont la va- leur du vide est également reprise sur le tableau de bord de la zone de travail en salle contrôlée.