28 mars 2017
L’ESS reçoit deux fruits de l’Irfu

Vue d'artiste du futur centre de recherche ESS ©Henning Larsen Architects/COBE/ESS

L’ESS (European Spallation Source) dont la construction a démarré en 2013 à Lund en Suède, sera la source de spallation la plus puissante au monde. Dans le cadre de ce projet, l’Irfu vient de livrer ses deux premières contributions : un diagnostic optique et un émittancemètre. En effet, il est indispensable de contrôler différents paramètres dont la pureté du faisceau ainsi que sa vergence qui sont tous deux sous la responsabilité de l’Irfu. L’institut a donc été en charge de la construction de deux émittancemètres et d’un diagnostic optique. Ce dernier mesure la pureté du faisceau grâce au décalage Doppler. Les différentes espèces d’ions ont une énergie identique mais pas la même masse, donc des vitesses différentes, ce qui génère des décalages Doppler en fonctions des types d’ions. La pureté attendue est de l’ordre de 80% ce qui a été obtenu lors des tests à Catane. Le deuxième contrat de l’Irfu concerne le développement d'émittancemètres qui contrôlent la vergence du faisceau. Ils viennent de terminer leur dernière session de tests en janvier 2016 démontrant de très bonnes performances. La livraison de ces diagnostics et le succès des « Acceptance Tests » par l’ESS permettent de clore deux contrats signés entre le CEA et l'ESS dans le cadre de la contribution en nature de la France à cette source de neutrons.

 

Introduction

L’ESS (European Spallation Source) sera la source de spallation la plus puissante au monde (5 MW) et produira les premiers neutrons à l’horizon 2020 à Lund en Suède. La future installation de recherche scientifique sur la matière utilise des techniques de dispersion des neutrons. La construction est en cours depuis 2013.

Pour l'ESS, des protons sont accélérés et projetés sur une cible en métaux lourds pour produire des émissions intenses de bouffées de neutrons. Elles sont ensuite conduites dans des lignes de rayonnements jusqu'aux stations d'expérimentation où sont menées des recherches avancées sur la matière dans les domaines de l'énergie, les télécommunications, les transports, les technologies de l'information, les biotechnologies et la santé. L'ESS sera dix fois plus puissante que les installations américaines et japonaises actuelles et fournira à ses utilisateurs des expériences cent fois plus intenses que les sources à neutrons actuelles.

La source de neutrons se compose de trois principaux sous-ensembles : l'accélérateur linéaire, la cible et une suite d'instruments prenant place autour de la cible. L’accélérateur linéaire comprend dans sa section à basse énergie (E ≤ 80 MeV) d’une source d’ions, d’une ligne basse énergie, d’un quadripôle à radiofréquence (RFQ : radiofrequency quadrupole) et d'un accélérateur à tubes de glissement (DTL : drift tube linac). Sa section à haute énergie est composée de cavités supraconductrices permettant d’accélérer les protons jusqu’à 2 GeV. Il y a trois familles de cavités supraconductrices : une première famille de cavités de type spoke à 352 MHz optimisée pour des faisceaux de protons à 50 % de la vitesse de la lumière (β = 0,50) pour les énergies comprises entre 80 MeV et 200 MeV, et ensuite deux familles de cavités elliptiques à 700 MHz ; les premières à β = 0,67 pour les énergies comprises entre 200 MeV et 650 MeV, et les secondes à β = 0,86 pour les énergies comprises entre 650 MeV et 2,5 GeV.

 

Contribution du CEA sur les premiers diagnostics basse énergie

 

Prises de vues réalisées lors de la livraison des émittancemètres et du diagnostic optique

 

Les protons sont produits par une source de type ECR (Electron Cyclotron Resonance) développée par l’INFN-LNS et qui est actuellement en cours de commissioning à Catane en Sicile (Italie). Le faisceau extrait de cette source possède une énergie de 75 keV. La source d’ions sera suivie d’une ligne de transport basse énergie (LEBT) composée de deux solénoïdes, d’un chopper, d’un iris permettant de moduler le courant de 6,3 à 62,5 mA sur la cible en bout d’accélérateur. La LEBT sera équipée de différents diagnostics permettant de qualifier les paramètres physiques du faisceau en termes de position, de profil transverse, d’intensité, de vergence et de pureté. Les 2 derniers paramètres seront mesurés par des diagnostics sous la responsabilité de l’Irfu avec respectivement 2 émittancemètres (Emittancemeter unit) et un diagnostic optique (Doppler unit) pour la mesure de pureté du faisceau.

 

Le Doppler

Pour analyser les proportions des différents types d’ions extraits de la source, on utilise le diagnostic optique basé sur le principe du décalage Doppler. Il permet de mesurer l’intensité (nombre de photons) de la raie Hα (656,2 nm) de la série de Balmer de l’hydrogène atomique ayant subi un décalage Doppler (Δλ) dans la direction d’observation (θ) (Fig.1).

Fig.1: Spectre obtenu de la raie de la série de Balmer de l'hydrogène atomique (Hα) et les raies décalées par effet Doppler.

Le décalage Doppler de la raie Hα provient des atomes d'hydrogène d'énergie interne modifiée par le changement de structure électronique en se désexcitant (n=3→2) avec une certaine vitesse. L'origine de ces différents atomes résulte d'une neutralisation par capture électronique et d'une réaction de dissociation des ions H+, H2+, H3+  lors de leur interaction avec le gaz résiduel qui est essentiellement constitué de la molécule d'hydrogène (H2). Les différentes espèces ont la même énergie d’extraction mais pas la même masse, donc des vitesses différentes ce qui génère des décalages Doppler différents en fonction des types d’ions (Fig.2).

Fig.2: longueur d'onde attendue en fonction de l'angle d'observation (θ).

On mesure ce décalage avec un spectromètre permettant la séparation des raies spectroscopiques. Leur intensité lumineuse est proportionnelle à la quantité de particules émettrices et donc au courant du faisceau, et correspondent aux trois espèces ioniques distinctes. Il est donc possible d'en déduire la proportion des espèces ioniques qui composent le faisceau. Toutefois, le taux de production de la raie Hα par l'interaction avec le gaz résiduel (H2) est différent pour chaque type de particules. Une estimation de la quantité réelle de particules nécessite donc la connaissance des sections efficaces de ce mécanisme de production de la raie Hα à l’énergie du faisceau.

Les sections efficaces de production de la raie  lors de l'interaction des ions , ,   avec le gaz résiduel H2 à une énergie de 75 keV sont :

 ;  ;

A partir de l'intensité des raies, il est possible d'obtenir le nombre de particules de chaque espèce et ainsi leur proportion, par exemple pour les ions H:

    donc    

Fig.3:Fenêtre de contrôle-commande développé par l'Irfu/SIS de la mesure de décalage Doppler.
Exemple de mesures effectuées par SILHI pour un faisceau à 95 keV.

 

Cette mesure de pureté a aussi été développée sous la responsabilité du l’Irfu/SACM pour l’injecteur d’Iphi et d’Ifmif. Contrairement à ces 2 injecteurs fonctionnant en mode continu, le cycle utile du faisceau de l'ESS (8 %) a nécessité de rechercher des solutions pour l’optimisation de la collection de lumière tant bien sur la géométrie de la fibre optique que sur son couplage.

Il est donc possible d’agir sur tous les éléments du diagnostic comme l’ouverture de la fente d’entrée, la rotation du réseau et les paramètres de la caméra CCD via une unique fenêtre de contrôle-commande développée sous Epics par l’Irfu/SIS (cf. Fig.3.). Il est aussi visualisé sur cette fenêtre de manière automatique et pour chaque nouvelle mesure, le calcul des valeurs de proportion dès lors que l’ajustement par une gaussienne des raies spectroscopiques est défini. Ceci a pour but d’optimiser en temps réel les paramètres de réglages de génération du plasma de la source. On cherche à maximiser la quantité de protons, autrement dit à optimiser la pureté du plasma. Les valeurs mesurées lors des tests d’acceptance à Catane sont de l’ordre de 80% de protons, valeur attendue par l'ESS.

De plus, les valeurs de proportions acquises peuvent être archivées permettant de suivre au cours du temps l’évolution du rendement du plasma. En effet, il a été démontré que la détérioration de certains éléments présents dans la source d'ions (disque de nitrure de bore) influe de manière importante sur la pureté du plasma.

 

Vue du bouclier thermique

L’émittancemètre

Les autres caractéristiques du faisceau à mesurer sont l’intensité, sa taille transverse et sa vergence afin d’estimer le comportement à venir du faisceau. La mesure d’émittance permet de relier l’intensité et l’angle du faisceau à sa position transverse par l’utilisation d’une « tête de mesure » interceptant le faisceau.Cette tête est protégée par un bouclier refroidi afin de dissiper les calories déposées par le faisceau. Ce bouclier est le résultat d’une collaboration avec le CEA LITEN Grenoble. Il est composé d’un assemblage original de cuivre/tungstène et des tuyaux en inox pour le garantir le refroidissement (Fig.4). L’ensemble est assemblé par Compression Isotatique à Chaud (CIC) à 950°C et 1400 atmosphères, technique maitrisée par le CEA LITEN.

Fig.4: Assemblage complexe du bouclier réalisé par le CEA LITEN

Dans la tête de mesure (Fig.5) une fente d’entrée en TZM de 100 µm et de 100 mm de large, selectionne une très fine partie du faisceau et définie un pinceau de faisceau ou « beamlet » qui sera analysé ensuite par un jeu de plaques électrostatiques déviatrices. Pour une déflection donnée, le beamlet est transmis à travers une seconde fente et est ensuite collecté, amplifié puis numérisé par une électronique adaptée. Une attention particulière a été apportée à la fente d’entrée tant soit par son refroidissement que par le choix du matériau en TZM : en effet la densité de puissance déposée par le faisceau peut être très élevée engendrant une déformation thermomécanique irréversible des deux parties composant la fente d’entrée. Le TZM est un alliage de Molybdène/Zirconium/Tungsten permettant une déformation thermo-mecanique minimale et avec un écoulement élevé des calories deposées par le faisceau.

Fig.5: Coupe de la tête de mesure reliant l'angle d'entrée de la particule à la tension
de déviation appliquée sur les plaques parallèles pour sa détection, en fonction de la géométrie.

Le déplacement transverse de la tête dans le faisceau est assuré par un moteur pas à pas sur un translateur de 200 mm de course. Une paire de thermocouples mesure en permanence les températures du bloc d’arrêt et de la fente d’entrée. L’ensemble de la séquence de mesure pilotant les équipements nécessaires (moteur, ampli, alimentations) est orchestré sous Epics. La mise en sécurité est intégralement réalisée par un automate dédié arrêtant les équipements au moindre défaut et pouvant même jusqu’à arrêter la source d’ions en cas de problème thermique trop important. L'interface Homme-Machine (IHM) a été développé par l’Irfu/SIS.

La source ESS développée par l’équipe de l’INFN de Catane produit un faisceau pulsé de 6 ms de long avec une répétition de 14 Hz. Le beamlet collecté par l’EMU est amplifié par une électronique spécifique développée à l’Irfu/Sédi puis numérisé par une électronique du commerce à 1MHz de fréquence d’échantillonnage. L’intégralité des donnés numérisées est stockée en continu lors de la mesure dans une archive véloce. Cela permet à l’utilisateur d’accéder à l’intégralité des données hors-ligne pour appliquer un post traitement numérique spécifique (nettoyage du bruit de fond par exemple). Mais cette analyse off-line permet surtout de mieux comprendre l’évolution temporelle de l’émittance du faisceau à tous les instants de la durée du pulse faisceau.

L’installation d’une première tête s’est effectuée lors de la dernière semaine de décembre 2016 et une seconde session en janvier 2017 a permis de réaliser les premières mesures et de démontrer les très bonnes performances de l’émittancemètre développé par le CEA.

Fig.6: signal analogique de la coupelle de Faraday de l'EMU échantillonnée à 1MHz

Sur la Fig.6 pour un point dans l'espace des phases, le signal brut de la coupelle de faraday de l'EMU est échantillonné à 1MHz. L’offset de 2mV peut être observé avec un bruit de mesure de l’ordre d’une dizaine de µV (1rms). La sensibilité et la dynamique de mesure de la chaine d’acquisition démontrent une très bonne maitrise de l’électronique d'amplification.

Fig.7: mesure en haute résolution ayant 100 positions pour 400 angles.
L'intensité est en fausse couleur en échelle logarithmique.

La Fig.7 montre une mesure haute résolution faite sur le faisceau de ESS à Catane, la figure est composée en abscisse de 100 positions ayant chacune 400 angles en ordonnées. Le programme de reconstruction hors ligne a permis de démontrer en se basant sur la valeur scalaire de l’émittance que le nombre de positions peut être réduit par 4, n’ayant pour unique conséquence que de réduire le temps de mesure tout en conservant la valeur de l’émittance (table 1).

Nombre de positions

Nombre d’angles

Emittance Norm.

p.mm.mrad

100

400

0.2270

50

400

0.2273

25

400

0.2259

 

Table1: valeur scalaire de l'émittance pour un nombre de positions de plus en plus réduit.

L’utilisation de la repousseuse d’électrons a -200 volts fait disparaître certains bruits électroniques bien connus. Lorsque le pic principal (Figure 7) est normalisé, trois pics sont aussi visibles avec une intensité de 3 ordres de grandeur inférieurs, démontrant la très bonne dynamique de la chaine d’acquisition, d’une excellente résolution angulaire (<0,35mrad) mais aussi de l’excellent montage mécanique permettant de réaliser une mesure aussi précise. Ces trois pics ne sont toujours pas expliqués et sont encore en cours d’investigation.

Fig.8: électronique d'acquisition ayant une grande dynamique (>103) avec une
haute résolution angulaire. Les signaux sont normalisés au pic principal.

La livraison de ces diagnostics et le succès des « Acceptance Tests » par l'ESS permettent  de clore deux contrats signés entre le CEA et l'ESS dans le cadre de la contribution en nature de la France à l'ESS.

 

Contacts: Franck Senée et Olivier Tuske

 

 

 

Maj : 07/04/2017 (3986)

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