Un grand nombre d'accélérateurs de demain nécessiteront des sources intenses d'ions hydrogène négatifs. La source d'ions H^-, développée au Dapnia/SACM depuis quelques années, vient de faire un grand pas vers les futurs accélérateurs de faisceaux intenses de protons. Au début de l'année 2002, les équipes du Dapnia/SACM ont en effet montré qu'une source engendrant un plasma par la technique dite de résonance cyclotronique électronique était capable de produire des ions hydrogène négatifs. Une nouvelle étape vient d'être franchie : la séparation en deux parties de la chambre à plasma au moyen d'une grille, associée à de nouveaux réglages, a permis de multiplier par 200 la quantité d'ions H^- produite. L'avantage d'une telle technique est qu'elle n'utilise pas de composants à faible durée de vie contrairement aux autres procédés.

Les futurs accélérateurs à fort courant de protons nécessiteront des sources intenses pour alimenter leurs faisceaux. Bien que ceci puisse sembler étrange, il est plus efficace d'injecter dans un accélérateur de protons des ions hydrogènes négatifs (H^-) que des protons (H)+, pourtant beaucoup plus faciles à produire. Pour créer les ions négatifs H^-, on utilise un plasma d'hydrogène dans lequel un électron de très faible énergie se « colle » à une molécule excitée qui en se dissociant libère un atome et un ion H^- . Ce phénomène, appelé l'attachement dissociatif, permet de produire ces ions peu communs au temps de vie très bref.

La source Silhi est une source à résonance cyclotronique électronique (ECR en anglais) développée dans le cadre du projet Iphi. Elle a depuis longtemps démontré son potentiel pour produire des faisceaux de protons (H⁺) intenses avec de bonnes qualités optiques et une longue durée de vie. Nous avons souhaité profiter de ces avantages pour la production d'ions négatifs, dont, jusqu'à présent, les sources existantes présentaient une faible durée de vie.

Nous avons donc construit une nouvelle source pulsée (1ms/100ms) fonctionnant à la fréquence de 2.45 GHz. La puissance délivrée par radio-fréquence est fournie par un magnétron, puis injectée dans la chambre à plasma par une chaîne à radio-fréquence identique à celle de Silhi. Le dispositif expérimental permet de mesurer les paramètres du plasma que l'on peut aussi observer à travers des hublots autorisant ainsi des mesures spectroscopiques de caractérisation. Pour extraire le faisceau, la chambre à plasma est polarisable jusqu'à 10 kV, en positif ou en négatif. Cette polarisation réversible permet de plus d'étalonner les diagnostics.

Depuis un an, nous avions pu montrer qu'il était possible de produire des ions négatifs avec ce type de source, mais avec un rendement très faible. Pour éviter que l'onde radio - qui n'est pas totalement absorbée dans le plasma - ne détruise les ions H^- produits, nous avons eu l'idée de les protéger par une « barrière » (en fait une simple grille en inox de maille 5 mm). Le gain immédiat d'un facteur 2, est passé à 10 en optimisant la position de la grille. En polarisant la grille, c'est-à-dire en optimisant l'énergie des électrons qui entrent dans la zone dite de production, ce gain est enfin monté jusqu'à 200.

Les sources classiques (sources Penning, source à filaments, source à radio-fréquence) utilisent des puissances de quelques dizaines de kW pour produire plusieurs dizaines de milliampères d'ions H^-. La source du SACM produit entre 500 microampères et 1 milliampères d'ions H^- avec seulement 1 kW de puissance radio-fréquence. Elle entre donc déjà dans le groupe des sources potentielles pour les futurs accélérateurs à fort courant. Bien sûr, la route est encore longue et de nombreuses voies d'optimisation sont à explorer. Le but final est de produire un faisceau de plusieurs dizaines de milliampères, avec les qualités requises pour l'injecter dans le premier étage d'un accélérateur.

Ces études sont menées dans le cadre d'un réseau européen consacré à l'étude des sources d'ions H^- (High Performance Negative Ion Sources), qui regroupe 9 laboratoires dont 2 du CEA (Saclay et Grenoble). Le Dapnia/SACM est le coordonnateur de ce réseau.