HAL Id: jpa-00209168
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Submitted on 1 Jan 1979
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Etude expérimentale de la production de deutérons négatifs par double échange de charges dans le xénon
S. Bliman, S. Dousson, R. Geller, B. Jacquot, C. Jacquot, J. Tsekeris
To cite this version:
S. Bliman, S. Dousson, R. Geller, B. Jacquot, C. Jacquot, et al.. Etude expérimentale de la production
de deutérons négatifs par double échange de charges dans le xénon. Journal de Physique, 1979, 40
(9), pp.841-844. �10.1051/jphys:01979004009084100�. �jpa-00209168�
Etude expérimentale de la production de deutérons négatifs
par double échange de charges dans le xénon
S. Bliman (*), S. Dousson, R. Geller, B. Jacquot, C. Jacquot et J. Tsekeris
DRF/CPN CEN.G, 85 X, 38041 Grenoble Cedex, France DPH/SIG CEN. G, 85 X, 38041 Grenoble Cedex, France
(Reçu le 16 février 1979, révisé le 19 avril 1979, accepté le 16 mai 1979)
Résumé. 2014 Dans la perspective du chauffage des plasmas de fusion, on envisage d’utiliser des faisceaux de deu- térons D0 de grande énergie. Afin d’obtenir ces faisceaux, il convient de procéder à la conversion d’ions D+ en
ions D-, ceux-ci devant être accélérés ultérieurement aux énergies intéressantes pour le chauffage.
Les résultats présentés concernent donc l’évaluation du rendement de conversion D+ ~ D- et D+2 ~ D- en
en fonction de l’énergie. La conversion D+/D- passe par un maximum à 6 keV (5 à 6 %), en accord raisonnable
avec les estimations théoriques. La conversion D+2 /D- atteint une valeur de 2 à 3 % vers 12 keV. Pour ce dernier processus il n’existe pas, en l’état actuel, de modèle théorique. Les expériences ont été conduites dans le xénon,
gaz cible du double échange de charge.
Abstract.
2014It is thought that additional heating of fusion plasma will result from D0 energetic beam injection
in large plasma devices. Due to the fact that the conversion rate D+ to D0 rapidly decreases at high énergies,
it seems that an interesting way to get these high energy neutrals should be : conversion of D+ to D-, acceleration of D- and further neutralization of D- to have D0 at the desired energy. The efficiency of D+ to D- and D+2 to D-
conversions at low énergies have been studied on a Xe gas target : it appears that D-/D+ conversion efficiency
shows a smooth variation peaking slightly at 5 % for a D+ energy of 5 keV. D-/D+2 increases up to 4 % at 12 keV
and then decreases. It is shown that the agreement between sample calculation results and experimental values is quite fair for D-/D+.
Classification Physics Ahstracts 34.70
-36.90
-52.90
1. Introduction.
-L’injection de deutérons neutres
Do énergétiques est considérée comme étant une des méthodes importantes de chauffage des plasmas’
d’intérêt thermonucléaire. Toutefois, lorsque l’on
considère les rendements des injecteurs utilisant la
filière (D+, Do) on observe leur décroissance lorsque l’énergie de D+ atteint et dépasse 50 keV. La dimension
et la densité des plasmas (Tokamaks, Machines à miroirs) allant croissant, pour parvenir à satisfaire
au critère de Lawson, il semble que l’énergie des Do
permettant un chauffage efficace des plasmas des grandes machines (JET, PLT, etc...) devrait d’ores et
déjà dépasser 150 keV. Dans les machines permettant d’atteindre l’ignition, on estime que l’énergie des D.
devra atteindre la gamme du MeV : ceci pour per- mettre la pénétration jusqu’au coeur du plasma à
chauffer. A de telles énergies la filière (D- DO)
peut être considérée avec intérêt, l’obtention préalable
de faisceaux intenses de D- étant un intermédiaire
obligé. Au nombre des méthodes de production de D- figure le double échange de charge D+ + F --> D - . Le choix de F élément cible pour l’échange de charge
est alors guidé par la considération du rendement R de conversion D-/D’. Une orientation vers les cibles de vapeurs de métaux alcalins (Cs, Na, ...) se dessine, le double échange de charge s’y produisant facilement, et R étant de l’ordre de 25 % pour des ions D+ de 1 keV dans le Cs et de 12 % pour des ions D + de 12 keV dans le Na. Le maniement de ces
cibles reste bien sûr délicat [1, 4].
Procédant à un examen des sections efficaces relatives au double échange de charge, on a élaboré
un modèle de calcul du rendement R dans le cas du Xe - élément bien moins facilement ionisable que le Cs - celui-ci laisse espérer un rendement encore intéressant, si l’incertitude sur les valeurs calculées des sections efficaces n’excède pas 100 % dans un sens pessimiste [1, 3]. Les expériences décrites plus bas
se proposent de vérifier si les valeurs de R calculées sont réalistes ; ceci étant, l’ensemble des mécanismes (*) INPG. ENSER, 23, rue des Martyrs, 38031 Grenoble Cedex,
France.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01979004009084100
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physiques du double échange de charge dans le Xe
reste à élucider.
2. Dispositif expérimental.
-La figure 1 représente
le schéma d’ensemble du dispositif expérimental.
La source d’ions du type à résonance cyclotron des
électrons
-fréquence de fonctionnement 10 GHz - est alimentée en gaz D2 (pression dans la source 10- 5 torr). Le fonctionnement HF est pulsé, largeur
des impulsions 5 ms, cycle utile 1/4. La source est portée à la haute tension positive : celle-ci est réglable
dans le domaine de 3 à 16 kV. Le faisceau extrait
au travers d’un orifice de 2 mm de diamètre est
analysé en ses différentes composantes D+, D’ à
l’aide de l’aimant 1. A la sortie de cet aimant un
diaphragme de 0
=2 mm permet la mise en forme du faisceau : le diaphragme est muni d’un dispositif
de blocage des électrons secondaires. On interpose
entre ce diaphragme de mise en forme et la chambre
de collisions un collecteur escamotable (par rotation) polarisé (blocage des électrons secondaires du col-
lecteur). En l’absence de gaz cible, on contrôle, à l’aide de ce collecteur escamotable, la transmission à 100 % du courant jusqu’à la sortie de la chambre de collisions. A l’aide d’un second collecteur fixe on
s’assure la transmission complète de ce courant jusqu’au plan image du 2e aimant (Fig. 1). Les deux aimants sont par construction identiques.
Fig. l.
-Schéma du dispositif expérimental.
[Diagram of the experimental device.]
Lorsque la chambre de collisions est alimentée
en gaz un pompage différentiel permet de maintenir dans l’espace de transport des faisceaux une pression comprise entre 5 x 10-’ et 10- 6 torr, la pression
dans la chambre de collisions étant réglée pour obtenir le courant maximum de D-. Cette chambre de collisions a des orifices d’entrée de 0
=3 mm
et de sortie de 0
=6 mm. Cette disposition permet
d’apprécier l’ouverture angulaire du faisceau D-
formé, le faisceau D + étant parallèle à l’entrée, dans les limites de l’acceptance angulaire du 2e aimant ( ± 30). De plus, un diaphragme escamotable
0
=4 mm permet de vérifier si le faisceau D - est contenu dans un angle inférieur à l’acceptance du
2e aimant. Le courant d’ions incident séparé (D+
ou D 2 +) étant établi et mesuré, on admet du gaz
neutre dans la chambre de collisions. On observe la décroissance du courant D + transmis puis l’accrois-
sement du courant D- formé (Fig. 3). On établit la
pression de gaz cible à la valeur correspondant au
courant D- maximum formé.
3. Comparaisons entre résultats expérimentaux et théoriques.
-La conversion des ions D + en D -
est étudiée. Le courant d’ions D+ incident varie
en fonction de l’énergie. Dans le domaine d’énergie
s’étendant de 3 à 10keV, le courant évolue entre
6 x 10-1 et 3,5 x 10-7 A.
La figure 2 représente la variation du rapport du courant D- formé au courant D+ incident. On note qu’en fonction de l’énergie des ions D+ un
maximum de l’ordre de 6 % est atteint à 5 keV.
L’épaisseur optimum de la cible de Xe caractérisée par le produit de la densité par la longueur de la
chambre de collisions est ici de l’ordre de 8 x 1014 cm- 2. L’erreur relative sur la mesure de R est de l’ordre de ± 5 %.
La figure 2 représente également la variation du rapport du courant d’ions D- au courant d’ions incidents D+. Il faut noter ici que les courants d’ions
D2 varient entre 1,2 x 10-7 et 10-6 A, l’énergie
Fig. 2. - Comparaison des rendements de conversion D-/D+, D-/D’, expérience et théorie.
[Comparison of conversion efficiency D-/D+, D-/D’, calculated
and experimental values.]
variant entre 4 et 14 keV. Le rendement maximum
4 % est observé pour une énergie de 12 keV. L’énergie
mesurée des ions D - formés confirme bien que la dissociation de D2 donne deux particules emportant chacune la moitié de l’énergie totale.
Un modèle a été établi et qui tient compte des réactions suivantes susceptibles de se produire dans
le Xe avec des sections efficaces correspondantes.
Pour cela on écrit les équations de l’évolution des états de. charge du faisceau :
Dans ces équations Fi est la fraction de faisceau avec
la charge i, u,j est la section efficace totale de la réaction
correspondante. n
=Nl est l’épaisseur de cible,
N étant la densité de xénon et l la longueur de trajet
dans le xénon.
La solution du système précédent est de la forme :
al a2 et a3 sont les valeurs propres du système matriciel
et on trouve les constantes oci Pi Yi’ i
=1, 2, 3, pour
n
=0 c’est-à-dire aux conditions initiales :
Tenant compte des valeurs de (]ij des sections efficaces de ces différentes réactions [2], on calcule à une énergie
de D’ le nombre de réactions se produisant par unité de volume et de temps en fonction de l’épaisseur
de la cible Xe caractérisée par le produit Nl, on
atteint un équilibre qui fournit le rendement de conversion D- /D+. La figure 3 représente ce rapport calculé en fonction de l’épaisseur de cible de Xe, la figure 2 représente le rendement optimum (fixé
par l’épaisseur optimum) en fonction de l’énergie.
Dans ces calculs ont été négligées les réactions de recombinaisons
Fig. 3.
-Rendement de conversion à 5 keV en fonction de Nl, cible xénon.
[Conversion efficiency at five keV as a function of xenon, target thickness.] ]
La comparaison des résultats expérimentaux à ces
résultats de calcul montre un accord satisfaisant dans le domaine d’énergie situé au-delà du maximum.
A basse énergie, les processus négligés ont peut-être
une importance notable. Il faut par ailleurs souligner l’ignorance dans laquelle on est de l’importance de
l’erreur A6 sur les valeurs de 6 (Fig. 2). Il convient
de souligner que l’équilibre théorique ne peut être atteint : lorsque l’épaisseur de cible augmente, les D- formés sont détruits (Fig. 3). Cette destruction a été d’ailleurs négligée dans le modèle.
En ce qui concerne la conversion D) - D - il
faut considérer la dissociation de l’ion moléculaire.
Les produits de dissociation D+ et DO emportent chacun la moitié de l’énergie totale et se transforment
en ions D- par les processus 1, 2, 3 et 4 évoqués plus haut.
4. Conclusion.
-Les résultats de conversion
(D-/D’) dans une cible de xénon à épaisseur
Nl 1015 cm-2 sont en accord avec un modèle de calcul ne tenant pas compte des recombinaisons des D- avec des ions positifs D + et XeB La conversion
(D-/D2 ) se justifie aussi par de simples considérations
sur la dissociation moléculaire lors de l’impact
D2 /Xe..
Sachant que les sources d’ions usuelles fournissent des proportions comparables d’ions D+ et D’ il
peut être avantageux d’utiliser les deux espèces pour la conversion en D- [4]. Dans ce cas une tension d’extraction de 6 à 8 kV permet un rendement en
courant
Les simplifications technologiques introduites par l’utilisation du xénon à la place des vapeurs alcalines pourront dans certains cas, rendre cette filière pré- férable à celle utilisant le césium ou le sodium et ceci
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