INJECTION D'IONS LOURDS DANS LE CYCLOTRON A ÉNERGIE VARIABLE D'ORSAY

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INJECTION D’IONS LOURDS DANS LE

CYCLOTRON A ÉNERGIE VARIABLE D’ORSAY

A. Cabrespine

To cite this version:

A. Cabrespine. INJECTION D’IONS LOURDS DANS LE CYCLOTRON A ÉNERGIE VARIABLE D’ORSAY. Journal de Physique Colloques, 1969, 30 (C2), pp.C2-38-C2-43.

�10.1051/jphyscol:1969205�. �jpa-00213669�

JOURNAL DE PHYSIQUE

Colloque C 2, supplément au no 5-6, Tome 30, Mai-Juin 1969, page C 2 - ³⁸

INJECTION D'IONS LOURDS DANS LE CYCLOTRON A ÉNERGIE VARIABLE D'ORSAY

A. CABRESPINE

Institut de physique nucléaire d'Orsay

Résumé. - Préaccélérés

à

1 MeV par nucléon, les ions lourds traversent une feuille mince dans la région centrale du cyclotron. Ils sont ensuite accélérés avec une charge beaucoup plus grande que celle fournie par une source d'ions multichargés. Les nouvelles possibilités de cette machine, son rendement et la variation de l'énergie, sont analysés.

Abstract. - Heavy ions, preaccelerated at 1 MeVIa. m. u., pass through a thin foil, in the central region of the cyclotron. At this stage, they are accelerated with a much higher electronic charge than the charge produced by a multicharged ion source. We analyse the new capabilities, the efficiency and the ability of varying the energy of the machine.

1. Principe. - L'énergie maximale atteinte par les rateur est donc accrue, l'énergie maximale atteinte ions dans un cyclotron est donnée, pour des variations étant proportionnelle au carré du nombre de charges.

de masses relativistes négligeables, par

:

Dans ce dispositif, le cyclotron joue le rôle du « post- 1 ( z ~ . B . ~ . c ) ~

E (MeV)

⁼ -

2 mo.c

²

stripper >> de l'accélérateur Hilac de Berkeley.

II. Les ions lourds multichargés. - Les ions lourds multichargés peuvent être obtenus soit directement avec

:

Zi : nombre d'électrons enlevés par ionisation,

avec une source d'ions appropriée, soit indirectement e

:

charge de l'électron, B

:

induction magnétique,

en faisant traverser, aux ions préalablement accélérés,

u :

rayon de rotation dans le champ magnétique,

une cible mince.

mo : masse de l'ion au repos et c : vitesse de la lumière.

En négligeant la masse des électrons enlevés par l" OBTENTION

DIRECTE D'IONS LOURDS MULTICHAR-

ionisation on a :

GÉS.

- Depuis un certain nombre d'années, on sait mo c2

=

931 A (MeV) réaliser des sources d'ions permettant d'obtenir des ions ayant des charges relativement élevées : ce sont les avec A masse atomique de l'ion ; d'où : sources d'Ehlers [2], de Morosov [3], de Papineau [4]

zz et de Basile et Lagrange [5]. Cependant, il semble que E (MeV)

=

48,2

²

B~ .r2 . soient atteintes les possibilités maximales de ce type A de source et qu'un nouvel accroissement des états de Dans le cas du cyclotron d'Orsay, on a : B . r (maximal) charge ne puisse être atteint quYen changeant de

= 1,25, d'où : principe.

L .

E,,, (MeV)

=

75

2

.

A

Afin d'augmenter les possibilités de ce cyclotron, il avait été envisagé dès 1961, par R. Basile [l], d'injecter dans le plan médian des ions préaccélérés et de leur faire traverser une feuille mince. Les ions peuvent ensuite être accélérés par le cyclotron avec une charge beaucoup plus élevée que celle fournie par une source d'ions multichargés classique. L'efficacité de l'accélé-

2O OBTENTION

INDIRECTE D'IONS MULTICHARGÉS PAR

«

ÉPLUCHAGE

»

D'IONS ACCÉLÉRÉS.

- Pour des ions lourds accélérés

à

1 MeV par nucléon, on peut estimer qu'une épaisseur de cible correspondant à 1017 atomes par cm2 permet d'atteindre l'équilibre de la distribution des charges [6]. La charge la plus probable, correspondant à l'équilibre, dépend de l'état physique de la cible: elle est plus grande avec les solides qu'avec les gaz ; elle dépend peu du Z de la cible. Les cibles gazeuses utilisées dans une enceinte à

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1969205

INJECTION D'IONS LOURDS DANS LE CYCLOTRON C 2 - 3 9

vide ne permettent pas généralement d'atteindre cet

équilibre pour des raisons d'encombrement. Dans notre cas, seules les cibles solides semblent admissibles.

Selon les estimations les plus récentes 171, la charge Zi la plus probable obtenue après traversée d'une cible solide par des ions de numéro atomique Z et de vitesse

u = p.c

peut être prédite par la formule empirique :

aveca

=

constante de structure fine

= -

1 C et y : 137 '

constantes ajustables avec comme ordres de grandeur : 1 < C < 1,l et 0,5 < y < 0,66. Ces constantes sont ajustées avec les résultats expérimentaux déjà connus.

La figure 1 représente les prédictions de la formule (2)

FIG. 1. - Zi = f ( A )

pour différentes énergies par nucléon. Sur cette même figure est tracée la courbe des états d'ionisation maximaux obtenus avec une source d'ions pulsée.

Les résultats sont connus actuellement jusqu'au tungstène. La figure 2 représente les énergies maxi- males atteintes avec le cyclotron d'Orsay dans les différents cas.

III. Le choix des paramètres de l'accélérateur d'injection. - C'accélérateur linéaire d'injection a une structure de type Sloan-Lawrence, avec L

=

P

- A.

2

^'

La longueur de répétition peut s'écrire :

1 2 Z i . e

L = - [ 2 f m (Vo + ^{VT cos}

^cp,)

avec Vo : tension de la particule à son entrée dans l'intervalle d'accélération, V : amplitude de la tension HF d'accélération entre les deux tubes de glissement considérés, T : facteur dépendant du temps de transit et q, : angle de synchronisme.

L étant choisi, pour un ion donné, si on augmente Zi, il faut diminuer V. Pratiquement pour un ion donné, l'énergie finale ne dépend pas du degré d'ioni- sation. La machine accepte des ions de rapports Z i / A supérieurs à une valeur limitée par la tension HF de claquage. L'énergie atteinte dans l'accélérateur linéaire peut être écrite sous la forme :

E (eV)

=

N. K. V,. Tcos q,.Zi , (4)

C 2 - 4 0 A. CABRESPINE

N étant le nombre d'intervalles accélérateurs, K un

facteur numérique provenant du type de variation de l'amplitude V le long de l'accélérateur et V, l'amplitude de la tension accélératrice du dernier intervalle.

L'énergie par nucléon est donc :

Pour une géométrie donnée de la structure accélé- ratrice, comme V-

i

doit être constant d'après la

A

relation (3), on en déduit que E/A est également fixe ; l'énergie par nucléon est donc fixe.

Les deux paramètres essentiels de l'accélérateur linéaire sont donc : 1) Le rapport Z i / A minimal qui est limité par la tension de claquage et fixe la valeur de la puissance HF maximale ; 2) L'énergie par nucléon atteinte qui dépend du nombre d'intervalles d'accélé- ration. La diminution de Z i / A ou l'augmentation de E/A entraîne l'allongement de la machine et l'augmen- tation de son prix.

D'après la figure 2, on voit que si l'on se base uniquement sur le critère de l'énergie atteinte, on a intérêt à choisir une énergie d'injection aussi élevée que possible. D'autre part, pour un ion donné, le rapport Z i / A maximal qui peut être obtenu avec une source d'ions est limité (Fig. 1). Ainsi la charge maxi- male pour les ions les plus lourds ne semble pas devoir dépasser 10

à

12, ce qui donne pour l'uranium

:

Le choix des paramètres E / A et Z i / A consiste donc finalement à faire un compromis entre l'éventail des ions accélérés, l'énergie atteinte par l'ion le plus lourd et le prix de l'injecteur. Ceci nous a amenés à choisir un accélérateur de 1 MeV par nucléon, permettant d'accélérer des ions de Z i / A 3 0,l. Le cyclotron peut ainsi accélérer le brome et le krypton à environ 400 MeV.

IV. Description de l'injecteur. - L'injecteur est un accélérateur linéaire fonctionnant à 24 MHz en mode fi - A en régime continu ou pulsé à grand

2

cycle utile (20 à 50 %).

10 LA

SOURCE D'IONS

est à un potentiel maximal de 140 kV fourni par un générateur Samès à haute stabilité et à courant élevé (14 mA). C'est une source de même type que la source actuelle du cyclotron, pouvant fonctionner en régime continu ou pulsé à grand cycle utile.

Deux champs magnétiques séparés sont utilisés, l'un pour la source d'ions et l'autre pour l'analyse en charges des ions extraits. La figure 3 montre le principe du système optique employé. Le but fixé est d'obtenir une analyse très fine, environ 30 cm derrière le pôle de l'aimant déviateur pour tous les ions de Z i / A 2 O, 1.

Cet ensemble est étudié par J. Arianer et P. Debray.

t r a j e t i a d r a l ,Cet

FIG. 3. - Source d'ions.

Le trajet corpusculaire voit : a) une lentille accélé- ratrice défocalisante constituée par la fente de source et l'extracteur ; b) un système centré de lentilles minces (en lre approximation) analogue à un microscope ; c) un aimant analogue à un système prisme + lentille plan cylindrique.

L'objet, pour cette optique, est le trou de source

(4

⁼

2 à 3 mm). La lentille accéIératrice en donne une image A située au milieu de l'intervalle fente d'analyse-ti-ou d'extracteur. Le microscope donne de A une image A', située à environ 25 cm du trou de source, très près de l'oculaire à focale variable. Le faisceau sort du microscope, parallèle ou légèrement convergent. L'aimant sélectionne l'ion choisi, focalise radialement son faisceau et en donne une image A"

qui est une fente fine verticale. Enfin, une dernière lentille accélératrice donne de A" une image A"' à l'infini.

2O LE

REGROUPEUR

comprend deux électrodes d'accélération à fréquences f et 2 f (24 et 48 MHz), de phases q, et 50, et de tensions V , et V,, réglables, et deux intervalles de glissement. Il permet de réaliser l'analogie d'une tension de regroupement en dents de scie. Il a été étudié par Ch. Goldstein et A. Laisné [8]

et essayé sur un modèle à l'échelle 1 de l'accélérateur comprenant les dix premières électrodes d'accélération.

La communication de Ch. Goldstein « Rassembleur

à harmonique 3 simulé » à ce colloque, donne des

INJECTION D'IONS LOURDS DANS LE CYCLOTRON C 2 - 4 1

détails sur cette réalisation. Le gain d'intensité obtenu doit atteindre un facteur 4 à 5.

30 LA

STRUCTURE ACCÉLÉRATRICE

fait l'objet d'une communication particulière de C . Bieth et Ch. Gold- stein « Structure HF et système de focalisation de l'accélérateur linéaire à ions lourds d'Orsay ». Nous nous limiterons à une brève description de cette struc- ture. Les conditions imposées étaient de réaliser une machine pouvant fonctionner en régime continu avec un bon rendement, tout en étant d'un faible prix de revient. Ceci nous a conduits à choisir une faible tension de préaccélération (140 kV) et à nous inspirer de la machine de Manchester particulièrement simple.

La structure accélératrice, d'environ 10 m de longueur, est constituée par un ensemble de quatre systèmes bifilaires quart d'onde dont la figure 4 donne un schéma très simplifié. Une étude théorique a permis de choisir une géométrie des éléments permettant d'obtenir une impédance shunt

( w f

-

PL

élevée qui, en valeur moyenne, est de 60 MCl/m. La puissance HF nécessaire est de 250 kW pour Zi/A

=

0,092 à 24 MHz en régime continu. Elle est fournie par un amplificateur dont les caractéristiques sont voisines de celles d'un émetteur standard de radiodiffusion.

FIG. 4. - VU- schématique de la structure HF.

La focalisation est réalisée à l'aide d'un système de grilles parallèles croisées à 900 d'une électrode à l'autre.

La figure 5 en donne une vue schématique.

FIG.

5. - Vue schématique du système focalisant.

La distribution de tension a été choisie en appro- chant une loi de champ constant et en se limitant

à

un champ de claquage permettant un fonctionnement sans ennuis. Elle a été étudiée par la méthode des perturbations et ajustée à I'aide des quatre courts-

circuits mobiles des résonateurs. La figure 6 montre cette distribution pour les conditions F

=

24 MHz et Z , / A

=

0,092.

FIG.

6.

- VHF =

f

(L).

40 LA

CONDUITE DU

FAISCEAU, depuis l'accélérateur linéaire jusqu'à la cible mince dans le cyclotron (25 m), est réalisée avec un ensemble de quadrupôles et d'aimants de déviation. Indépendamment des conditions imposées par la position respective des accélérateurs et par la zone dans laquelle nous nous sommes imposés de placer la cible mince, il faut aussi adapter au mieux « l'émittance » du faisceau fourni par l'accélérateur linéaire à « l'acceptance » du cyclotron.

Ceci amène à faire une transmission quasi-achroma- tique ; la communication de M. Ah-Hot « Transport du faisceau d'ions lourds de l'accélérateur linéaire au C. E. V. d'Orsay », donne le principe des calculs et le détail des éléments focalisants employés (Fig. 7).

FIG. 7. - PIan d'implantation.

Les trajectoires d'entrée à l'intérieur du cyclotron

ont été tracées à partir du champ magnétique réel ,à

l'aide d'un programme de calcul mis au point par

M. Martin. La figure 8 montre les trajectoires ainsi

A. CABRESPINE

FIG. 8.

-

Trajectoires de raccordement. Nz+ et Kra+.

obtenues pour l'injection de N ~ + avec B . r

=

1,089 et de KrSf avec B. r

=

1,614. Ce même programme de calcul permet d'obtenir les matrices de transfert hori- zontale et verticale le long de ces trajectoires et d'étu- dier l'adaptation optique du faisceau incident au cyclotron.

50 LES

DISPOSITIFS D'AJUSTAGE EN POSITION

du fais- ceau comprennent des ensembles déviateurs électrosta- tiques entre source et accélérateur et des déviateurs magnétiques sans fer, entre l'accélérateur linéaire et le cyclotron.

60 LE

VIDE.

- La valeur de vide à atteindre a été choisie à la suite d'une étude des variations de charge dans le gaz résiduel par capture ou par perte d'élec- trons pour l'ion le plus lourd. Ceci a conduit à adopter : a) un vide limite de 2 x torr dans la cavité de l'accélérateur linéaire ; b) un vide de 1 x torr dans l'enceinte du cyclotron ; c) des valeurs comprises entre 2 x 10-7 et 1 x 1 0 - ~ torr dans les tuyaux de conduite du faisceau entre l'injecteur linéaire et le cyclo- tron ; d) un vide de 1 x torr est enfin nécessaire dans les tuyaux de distribution du faisceau aux expé- rimentateurs.

70 LES

CIBLES MINCES

doivent avoir une épaisseur correspondant à une masse de 10 à 50 pg/cm2 pour que l'équilibre de charge soit atteint. La perte en énergie causée par la traversée d'une cible typique d'alumi- nium de 50 pg/cm2 (épaisseur: 0,2 micron) est, pour des ions lourds d'énergie cinétique 1 MeV/nucléon, environ 1 MeV. La dispersion angulaire introduite est inférieure à 0,5 degré. La dispersion en énergie provo-

quée par la cible dépend de ses variations d'épaisseur et d'homogénéité. L'ensemble porte-cible sera monté sur le même sas que l'ensemble source d'ions et le passage d'un montage à l'autre pourra être très rapide.

L'érosion des cibles par le faisceau d'ions très lourds étant importante, il est nécessaire de prévoir des ensembles de cibles montées sur disques ou tambours, permettant le passage quasi instantané d'une cible à l'autre. L'étude du comportement des cibles sous l'impact de faisceaux de 1 MeV/nucléon sera faite à l'aide du faisceau direct de l'accélérateur linéaire.

V. Nouvelles possibilités du cyclotron, rendement en intensité, variation de l'énergie. - l o NOUVELLES

POS-

SIBILITBS

DU CYCLOTRON.

- Le tableau 1 permet de comparer les énergies maximales atteintes par diffé- rents ions dans le cas du cyclotron accélérant les plus hautes charges fournies par la source d'ions et dans le cas de l'ensemble cyclotron plus injecteur à 1 MeV/nucléon.

Cyclotron seul Injecteur + ^cyclotron

C 100 MeV (4') 210 MeV (6')

La charge choisie dans la dernière colonne est la charge la plus probable pour Ne, S, A, Kr. Par contre, pour C, N et 0, une charge plus élevée a été retenue, étant donnée la facilité d'obtenir les ions préaccélérés avec de fortes intensités. Il convient de remarquer que la courbe des intensités en fonction des états de charge derrière la feuille mince a l'allure d'une courbe de Gauss de sorte que, pour le krypton par exemple, les charges 20 et 22 sont obtenues avec une probabilité presque aussi bonne que la charge 21.

20 RENDEMENT

EN

INTENSITB

DE LA MACHINE.

- Il

est difficile de prévoir avec précision le rendement en

intensité de cette machine. On peut seulement essayer

d'estimer l'ordre de grandeur du rapport entre l'inten-

sité reçue au niveau de l'expérience de physique et

l'intensité fournie par la source d'ions pour l'isotope

INJECTION D'IONS LOURDS DANS LE CYCLOTRON C 2 - 43

et la charge considérés. Le rendement de l'accélérateur linéaire devrait être d'environ 35 %, en comptant 70 %

de rendement

cc

d7acceptance » avec le rassembleur à harmoniques et 50 % de rendement de transparence dû à la présence des grilles focalisatrices. Le rendement

<< d'épluchage » au travers de la cible mince doit être de 20 à 22 % pour la charge la plus probable d'ions tels que Br ou Kr. Le cyclotron accélérera la moitié du faisceau injecté et le rendement d'extraction est d'environ 50 %. Tout cela conduit à un rendement global de 1,75 % qu'il convient de minorer pour tenir compte des pertes de transmission. Il semble qu'un rendement global de l'ordre du pour-cent puisse être envisagé.

30 VARIATION

DE

L'ÉNERGIE. - La variation de l'énergie pourra être obtenue :

a) soit de façon discontinue en changeant la charge accélérée par le cyclotron. Dans ce cas l'induction reste constante et on ajuste seulement la fréquence HF.

Avec une induction de 15 000 gauss, le krypton attein- dra ainsi des énergies de 360 MeV avec la charge 20', 400 MeV avec la charge 21' et 440 MeV avec la charge 22'. Les charges 19' et 23+ seront obtenues avec une intensité moitié des précédentes et attein- dront des énergies de 320 et 480 MeV.

b) soit de façon continue en faisant varier à la fois l'induction et la fréquence pour une charge déterminée.

La variation d'énergie de 10 %, obtenue en passant d'un état de charge au suivant dans l'exemple ci-dessus, est alors obtenue avec une variation de 5 %, de l'induc- tion soit 750 gauss.

VI. Projets d'expériences de physique. - On peut indiquer deux catégories d'expériences.

En premier lieu, les travaux menés actuellement sur le cyclotron, avec les ions légers, seront poursuivis avec l'avantage de pouvoir accéder à des énergies plus élevées. Avec les faisceaux de N *, de O", Ne8

+

,

dans une gamme d'énergie de 200 à 240 MeV, les études de réactions de transfert, les recherches concer- nant la production d'éléments transuraniens, prendront une plus grande ampleur.

En second lieu, l'obtention d'ions moyens, comme Ar13+ à 315 MeV ou d'ions lourds comme Kr2'+

à 400 MeV, permettra d'aborder des problèmes nouveaux, tels celui de la fission induite par excitation coulombienne (expérience prévue par Peter et Lefort), celui de la production de noyaux particuliers très intéressants (par exemple '''Sn) et surtout celui de la production de noyaux superlourds (Z

=

114 et Z = 126). Cette dernière expérience, en cours de prépa- ration par Jacmart, Lefort, Peter, Roynette, Riou, Stephan et Tarrago, consiste à bombarder 9 2 ' ~ h par des ions z z ~ r , de façon à produire le noyau 1;: ^pres-

que sans énergie d'excitation. De même la réaction

est proposée.

L'identification en masse, grâce à un analyseur magnétique et à une mesure de l'énergie du noyau de recul et de son temps-de-vol, est à l'étude.

VII. Etat actuel du projet. - L'accélérateur linéaire est actuellement en cours d'essais. Les électro-aimants de conduite de faisceau de l'accélérateur linéaire au cyclotron sont en construction. Les premières expé- riences avec le faisceau injecté dans le cyclotron devraient commencer à la fin de 1969.

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