SPIRAL2 au GANIL : production des faisceaux radioactifs intenses

L’histoire d’identification des noyaux a été commencée avec leur découverte entre 1895 et 1911. Généralement, l’identification se définit par la détermination des caractéristiques de l’ion (A, Z, Energie, q), du noyau chargé. Leur masse était l’observable la plus importante, vue qu’elle permet d’accéder à certains caractéristiques tels que l’énergie de liaison, les nombres magiques, ainsi que d’autres caractéristiques comme celui de la parité au sein des noyaux. Le besoin de la théorie exige des mesures en dehors de la stabilité, c’est-à-dire des noyaux introuvables dans la nature car leur durée de vie est courte, des noyaux exotiques. Leurs découvertes ont été commencées depuis les années 1943. Des noyaux très instables, des noyaux plus que exotique, sont aussi un objectif important des nouvelles installations nucléaires, et connait un essor considérable. Néanmoins, la production des noyaux exotiques ou plus qu’exotiques est peu sélective et le noyau d’intérêt est souvent noyé dans un fond des contaminants isobariques. Dans ce cas l’identification exige l’utilisation des séparateurs magnétiques et/ou électrique.

SPIRAL2 au GANIL : production des faisceaux radioactifs intenses 

Depuis une vingtaine d’années, les noyaux radioactifs ont été considérés comme des candidats les plus prometteurs pour le développement de la physique nucléaire fondamentale. Leur production peut se faire, principalement, par deux méthodes: La méthode de fragmentation en vol ou la méthode de séparation isotopique en ligne ISOL (Isotope Separator On Line). Dans la méthode de fragmentation en vol les faisceaux radioactifs sont produits par cassure d’un projectile de grande énergie cinétique sur une cible mince. Le faisceau secondaire résultant possède la même énergie cinétique par nucléons que celle du projectile avant fragmentation [Mitt97]. En raison de la traversée de la cible (dispersion en angle et en énergie), les propriétés optiques du faisceau secondaire sont dégradées. Cette méthode est utilisée notamment au GANIL [Ganil] ou à GSI.

La méthode ISOL consiste à bombarder une cible épaisse avec des faisceaux d’ions. Les réactions nucléaires engendrées conduisent à la production de noyaux radioactifs. Après diffusion hors de la cible ces noyaux sont ionisés [Land01]. Cette technique, développée notamment à ISOLDE, permet la production en ligne des faisceaux intenses, de hautes qualités isotopiques et de bonne qualité optique [Cuong09]. Depuis 2001, la méthode ISOL est utilisée à SPIRAL 1 (Système de Production d’Ions Radioactifs en Ligne). Il est ainsi possible de produire des noyaux des gaz rares (He, Ne, Ar,…, Kr) et d’accéder à une importante gamme des noyaux instables, éloignés de la vallée de stabilité (noyaux exotiques et plus que exotiques). La gamme de ces noyaux sera considérablement élargie grâce au projet SPIRAL2. L’installation SPIRAL 2 est constituée d’un accélérateur linéaire supraconducteur délivrant des ions légers et lourds. Ces ions bombardant soit des cibles minces, soit des cibles épaisses. Grace aux techniques de production précédemment citées et à l’emploi de divers mécanismes de réaction (transfert de nucléons, fusion, fission,…) il sera possible d’obtenir des faisceaux radioactifs de forte intensité. Cette future installation permettra également de délivrer jusqu’à cinq faisceaux simultanés avec des énergies allant de quelques dizaines de keV à quelques dizaines de MeV/nucléon.

Le projet SPIRAL 2 se décompose en deux phases [SP2][Ang11][Lewit08] :
❖ La phase I inclut l’accélérateur supraconducteur de forte intensité et les aires expérimentales S3 (Super Separator Spectrometer) et NFS (Neutrons for science).
❖ La phase II est dédiée à la production des noyaux exotiques, de faibles énergies et de hautes intensités. Les ions utilisés dans DESIR seront produit à cette phase.

L’installation de basse énergie : DESIR @ GANIL

Le projet DESIR (Décroissance, Excitation et Stockage d’Ions Radioactifs) est un ensemble d’équipement qui permettra de réaliser des expériences avec des faisceaux radioactifs de faibles énergies jusqu’à quelques dizaines de keV. Grâce à cette installation nous pourrons être abordées avec plus de précision des questions relevant des domaines de la physique nucléaire, des interactions fondamentales et de l’astrophysique, à l’aide des techniques suivantes : Spectroscopie de décroissance, spectroscopie LASER, spectrométrie de masse et de piégeage d’ions, etc. L’installation recevra les faisceaux radioactifs de trois sources de production différentes: les faisceaux de SPIRAL-1 (S1), ceux de SPIRAL-2 (S2) et les noyaux exotiques produits par le spectromètre S3 (S3 [Blan08]. Ces faisceaux seront conduits vers le hall DESIR à l’aide de lignes de transport.

Faisceaux de SPIRAL-1:
SPIRAL1 produit des noyaux légers riches ou déficients en neutrons. Le mécanisme de production utilisée est la fragmentation de projectiles accélérés par les cyclotrons CSS du GANIL. Les noyaux légers très exotiques ne pouvaient être produits que par SPIRAL-1, une ligne de transport doit être développée entre SPIRAL-1 et DESIR.

Faisceaux de SPIRAL-2:
SPIRAL2 produira des fragments de fission riches en neutrons par bombardement d’une cible lourde (UCX: oxyde d’uranium) avec des neutrons crées lors d’interactions du faisceau intense d’ions légers (deutons) avec un convertisseur de carbone. Il y’aura également production d’ions par la méthode ISOL par fusion-évaporation à partir des faisceaux d’ions lourds stables de LINAC.

Faisceaux S3:
Les faisceaux de haute intensité d’ions lourds stables fournis par l’accélérateur linéaire LINAG et l’utilisation de réactions de fusion-évaporation produiront des isotopes très exotiques. Ces derniers seront dirigés vers le hall DESIR après avoir été sélectionnés et triés par le spectromètre S3 de grande acceptance et d’excellent facteur de suppression du faisceau primaire intense.

Séparateur de masses

Les installations de basse énergie telle que DESIR requiert des faisceaux de hauts degrés de purification. Mais les faisceaux produits à ce type d’installation devront contenir des contaminants isobarique. La suppression de ces dernières exige l’utilisation d’un séparateur de masses. Par la suite nous allons présenter le principe de fonctionnement d’un séparateur et ses limites de séparation isobarique des isotopes.

Principe de fonctionnement du séparateur

Nous allons voir de façon qualitative comment fonctionne un séparateur magnétique. Considérons un faisceau contenant les ions d’intérêt et des contaminants, dont un faisceau Large et divergent. Le séparateur de masses est un spectromètre électromagnétique à haute résolution (HRS : High Resolution Separator) constitué, principalement, de deux dipôles magnétiques . Dans cette étude nous supposons que ces dipôles ne sont pas dispersifs. Un séparateur est conçu pour une énergie E et une masse bien précise qui suivrait l’axe optique, du fait que le faisceau est large et divergent des ions en dehors du chemin optique peuvent être transmis en particulier des contaminants.

L’étude et la conception d’un nouveau séparateur à grand pouvoir de résolution (HRS), d’au moins 20000, et de grande transmission, supérieure à 80%, sont les objectifs du laboratoire CENBG Bordeaux. Afin de minimiser l’effet des aberrations et d’avoir le maximum de transmission des ions, les chercheurs du CENBG proposent un design HRS-U180 selon le modèle de CARIBU [Dav08][Cari] . Ce HRS-U180 est composé de deux dipôles magnétiques de 90° avec des ouvertures de 23° à l’entrée et à la sortie, de six quadripôles (Q), de deux sextupôles (S) et d’un multipôle (M). Avec cette configuration QQSQDMDQSQQ symétrique il serait possible d’avoir un pouvoir de résolution de 31000 et une transmission de 70 % pour des faisceaux d’émittance ne dépassant 3.mm.mrad.

Table des matières

Introduction
Chapitre I Motivation pour le projet SHIRaC @ SPIRAL2
I. SPIRAL2 au GANIL : production des faisceaux radioactifs intenses
II. L’installation de basse énergie : DESIR @ GANIL
III. Séparateur de masses
1. Principe de fonctionnement du séparateur
2. Le pouvoir de résolution du HRS au SPIRAL2
3. Purification isotopique des isobares : Nécessité de refroidissement des ions
4. Effet de l’émittance
5. Effet de la dispersion en énergie
IV. Etat de l’art des refroidisseurs
V. Le RFQ Cooler du LPC Caen : SHIRaC
1. Phase I
1. Phase II
VI. Contributions de la thèse
Chapitre II Théorie de piégeage et de refroidissement des faisceaux d’ions radioactifs intenses
I. Dynamique d’espace de phase
1. Concept d’espace de phase
2. Diagramme d’action: acceptance, émittance et transmission
II. Notion d’émittance
3. Émittance Longitudinale
4. Dispersion en énergie
5. Émittance transversale
6. Calcul d’émittance
7. Corrélation entre émittances géométrique et rms
III. Dynamique des ions au sein du RFQ
1. Principe de guidage des particules chargées
2. Champ créé par le RFQ
a. Quadripôle électrostatique
b. Potentiel modulé temporellement
3. Dynamique des ions au sein du RFQ : équation de Mathieu
4. Approximation du mouvement au sein du RFQ
a. Les harmoniques principales du mouvement
b. Approximation du pseudo-potentiel
IV. Principe de refroidissement des ions radioactifs
1. Définition
2. Mécanismes de refroidissement des ions radioactifs par un gaz tampon
3. Modélisation des interactions ions-atomes du gaz tampon
a. Approche microscopique
b. Modèle macroscopique
c. Comparaison approches microscopique-macroscopique
4. Guidage des ions : segmentation du quadripôle
5. Processus de perte des ions refroidis
a. Interaction ions-atomes neutres
b. Collisions inélastiques : échange de charge
c. Chauffage RF
d. Distorsion RF : puits de potentiel et chauffage RF
V. Effet de la charge d’espace
1. Définition
2. Limite de l’effet de la charge d’espace
3. Effet de la charge d’espace sur l’équation de Mathieu
4. Effet de la charge d’espace sur le refroidissement
5. Effet de la charge d’espace sur le mouvement transversal des ions
a. Dynamique de l’enveloppe du faisceau
b. Focalisation du faisceau
c. Contribution de l’effet de la charge d’espace à l’élargissement du faisceau
d. Effet de la charge d’espace sur la transmission du RFQ SHIRaC
e. Effet de la charge d’espace sur l’émittance du faisceau refroidi
f. Effet de la charge d’espace sur l’espace de phase
6. Effet de la charge d’espace sur le mouvement longitudinal des ions
Chapitre III Dispositif expérimental
I. Prototype du RFQ Cooler
1. La cellule d’injection
2. La cellule d’extraction
3. La chambre du RFQ
II. Système RF
1. Système RF et séparateur de masse
2. Principe de production des tensions RF
3. Optimisation et caractérisation du système RF à air
a. Effet du nombre de spires sur la gamme de fréquences
b. Facteur de qualité : qualification du circuit
4. Connexion de la RF et de DC aux segments du quadripôle
III. Système de vide
1. Influence de la pression du gaz tampon
2. Synoptique d’injection du gaz
3. Pressions et conductances
a. Bilan des pressions
b. Conductance conique
4. Pompage différentiel
5. Distribution du gaz dans la ligne du SHIRaC
a. Mesures de la pression
b. Calcul des conductances moyennes
6. Optimisation du vide du SHIRaC
a. Conductance de la source
b. Distribution de la pression
IV. Instruments de mesure
1. Source à ionisation de surface
2. Pepperpot émittance-mètre
a. Calcul d’émittance
b. Incertitude de l’émittance
3. Cage de faraday
4. Temps de Vols
a. Principe de la détection d’une galette micro canaux
b. Mesures de Temps de Vols
5. Spectromètre de masse du vide
V. Contrôle commande et haute tension
1. Haute tension
2. Contrôle commande
Conclusion

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