L’injecteur de protons du FAIR proton Linac qui doit être installé au GSI en 2020 est en phase de commissioning à Saclay depuis fin 2017. L’objectif était de caractériser le faisceau de protons qui sera injecté dans l’étage d’accélération suivant qui est un RFQ de type « Ladder-RFQ » actuellement en construction à l’université de Frankfort. L’injecteur a pu produire un faisceau d’une intensité totale de 140 mA avec 120 mA de protons transportés en fin de ligne basse énergie. L'émittance du faisceau mesurée après le cône d’entrée du RFQ est meilleure que les spécifications requises avec une valeur normalisée de 0.24 pi.mm.mrad Norm. Le cahier des charges est donc respecté et l’objectif est atteint pour l’Irfu. L’injecteur est maintenant en phase de démontage avant envoi à GSI.
Pour caractériser le faisceau produit par la source ECR de protons, l’équipe en place autour de l’injecteur dispose de plusieurs diagnostics qui sont utilisés successivement à différentes positions entre la source d’ions et la fin de la ligne basse énergie (LBE) selon 3 phases principales :
- A la sortie de la colonne accélératrice,
- Sur la LBE entre les 2 solénoïdes,
- Autour de la position du point focal d’injection dans le RFQ.
Le faisceau est alors analysé en pureté avec un filtre de Wien (H+, H2+, H3+, ions lourds) et l’émittance du faisceau est mesurée à l’aide d’un Allison scanner (EMU, Emittance Measurement Unit). Le courant total extrait est mesuré à l’aide d’un ACCT en sortie source, à l’aide d’un deuxième ACCT à la sortie du deuxième solénoïde, et en bout de ligne sur l’arrêt faisceau (BD).
Ligne basse énergie du projet FAIR
A gauche pulse faisceau mesuré sur ACCT et Beam Dump ; à droite émittance faisceau
Les premiers faisceaux ont été extraits de la source à partir de mi-2016 d’abord avec des électrodes plasma avec un diamètre d’extraction de 3 mm et 6 mm afin de démarrer avec un faisceau de faible puissance et débugger l’ensemble de l’installation. Les résultats obtenus avec 6 mm étaient déjà prometteurs avec 60 mA de courant total extrait et mesurés en sortie source à l’énergie nominale de 95 keV, alors que le système d’extraction a été optimisé et réalisé pour un faisceau de 120-130 mA.
Contrairement au commissioning des injecteurs réalisés jusqu’à présent (IPHI, IFMIF, SPIRAL2), une idée innovante a consisté à caractériser le faisceau en fonction du profil axial de champ magnétique dans la chambre plasma tout en conservant la zone de résonance électronique cyclotronique (ECR) au niveau de l’injection de l’onde radiofréquence (RF) dans la chambre plasma. Pour cela on fait varier le courant dans les 2 bobines B1 (proche de l’extraction) et B2 (proche de l’injection RF).
Coupe de la source d’ions de FAIR. Les bobines B1 et B2 permettent de modifier le profil du champ magnétique dans la chambre plasma
Profil du champ magnétique en fonction du couple de valeur B1 B2. La valeur de la zone de résonance de 875 Gauss est fixe pour chacune des configurations permettant d’allumer le plasma avec la plus grande efficacité
Les différents réglages faisceau (quantité de gaz, puissance RF, adaptateur d’impédance, tension accélératrice dans le premier gap entre électrode intermédiaire et plasma) ont permis de produire des faisceaux de 40 à 65 mA. L’analyse de la pureté du faisceau réalisé à l’aide du filtre de Wien a révélé une proportion de protons de plus de 80% dans la majorité des configurations magnétiques étudiées, avec très peu de H3+ de l’ordre de 1% et environ 2% d’ions lourds.Les mesures d’émittance ont montré des valeurs rms normalisées εrms entre 0.27 et 0.46 Π.mm.mrad, principalement fonction du courant extrait à cause de la charge d’espace.
Fraction de protons mesurée versus la puissance HF injectée et pour chaque configuration magnétique définie
Cette étude a permis de montrer que l’on pouvait obtenir un faisceau de forte intensité de 60 mA avec 80% de protons avec seulement 1 bobine proche de l’injection RF. De plus ce réglage génère un pulse faisceau avec un temps de montée le plus court [Commissioning of the ECR ion source of the high intensity proton injector of the Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) O. Tuske, N. Chauvin, O. Delferriere, J. Fils, and Y. Gauthier Review of Scientific Instruments 89, 052303 (2018)].
Caractérisation du faisceau de l’injecteur FAIR en sortie source
La ligne basse énergie très compacte de l’injecteur FAIR en phase 3. Le faisceau va de gauche à droite. La ligne est équipée de deux émittance-mètre de type Allison (à gauche celui développé par le CNRS/IPHC, à droite celui développé par le CEA/Irfu
A la fin de l’année 2017, la source a été équipée dans sa configuration finale avec une électrode plasma ayant un diamètre d’extraction de 9 mm. En 2019, la ligne complète incluant un hacheur de faisceau non alimenté ainsi que le cône d’entrée RFQ était opérationnelle. Pendant deux ans l’équipe projet a pu réaliser l’ensemble des mesures expérimentales permettant de qualifier l’injecteur et assurer les conditions de faisceaux pour l’entrée dans le RFQ.
Après avoir qualifié la source en mesurant émittance et proportions à la sortie de la colonne accélératrice, les mesures se font entre les 2 solénoides et au voisinage du cône RFQ afin de déterminer les coordonnées du point focal pour la meilleure transmission au travers du cône pour l’injection dans le RFQ. Le courant est mesuré à 3 endroits : avec l’ACCT1 en sortie source, avec l’ACCT2 à la sortie du deuxième solénoide, et enfin sur le bloc d’arret faisceau. Un réglage typique de l’injecteur est donné dans le tableau ci-après:
Valeur de réglage standard de l’injecteur FAIR
La caractérisation du faiceau en entrée du RFQ est un point clé pour assurer une bonne transmission tout au long du RFQ. Les conditions de faisceau à cet endroit doivent permettre de maximiser le courant avec une focalisation du faisceau de manière à rentrer dans l’acceptance du RFQ. Celle-ci se traduit par des valeurs des paramètres de Twiss α, β, εrms particulières définies lors de la conception du RFQ. figure suivante représente le maximum de transmission du RFQ en fonction des valeurs de paramètres de Twiss α, β:
Acceptance du RFQ, après lissage, pour définir les conditions optimales d'injection
Pour déterminer les conditions optimales d’entrée dans le RFQ, on réalise un mapping du courant de protons intercepté par l’arret faisceau (beam dump) après le cône en fonction du champ magnétique appliqué au niveau des deux solénoides SOL1 et SOL2, c’est-à-dire en fonction des courants dans chaque solénoïde. Dans cette carte on définit ensuite arbitrairement 8 points de mesure d’émittance dans les conditions de courant SOL1 et SOL2 correspondantes. La mesure d’émittance est volontairement faite après le point focal pour ne pas détruire l’émittance-mètre en raison de la forte densité de puissance déposée par le faisceau. L’orifice du cône est à 31,6 cm du plan de mesure de l’EMU.
Mapping IBD=f(SOL1,SOL2) et définition arbitraire des 9 points de mesure
Pour une mesure d’émittance parmi les 8, le fichier de mesure est converti en une distribution de particules compatible au format d’entré du logiciel TraceWin pour effectuer un transport inverse vers le cône RFQ en faisant une hypothèse sur la taux de la compensation de la charge d’espace. Les paramètres de Twiss sont ré-évalués au fur et à mesure du transport et reportés sur la carte d’acceptance de RFQ.
A gauche: transport inverse du faisceau avec TraceWin, la simulation est calculée de gauche à droite alors que le faisceau lui va de droite à gauche; à droite: émittance mesurée en bout de ligne et servant d’entrée au transport inverse du faisceau avec TraceWin (configuration F)
Parmi les différents cas de réglage de la ligne de transport, un seul nous permet d’être optimal et en accord avec les spécifications du RFQ : c’est la configuration F (155 165) avec une compensation de la charge d’espace comprise entre 95 et 100%. Les caractéristiques faisceau obtenus après le point focal sont résumés dans le tableau ci-après:
Mesure faisceau après le point focal
Sur la figure suivante, on a réuni les deux mesures effectuées avec deux appareils différents à quelque mois d’intervalle. Nous observons d’une part que les deux appareils donnent des résultats similaires, et d’autre part ils démontrent que le faisceau est aussi « stable dans le temps ».
Les valeurs sur le graphique représentent la distance depuis le plan de mesure de l’émittance-mètre, à laquelle sont calculés les paramètres de Twiss. Le RFQ ne pourra se positionner qu’après le cône c’est-à-dire pour des distances qui seront inférieures à 31,6 cm. Dans les cas de la configuration F on peut se trouver dans des zone d’acceptance de plus de 80%, ce qui est l’objectif en terme d’acceptance pour le RFQ.
Acceptance RFQ et conditions de focalisation du faisceau (CCE 100%)
Conclusion :
Depuis le début de la collaboration entre l’Irfu et GSI en 2009, les agents du DACM/LEDA et du DIS impliqués dans le projet FAIR Proton Linac partie Injecteur ont démontré au fil des années leur capacité à concevoir, réaliser et faire fonctionner un injecteur proton haute intensité selon les spécifications demandées. Malgré un contexte difficile concernant la fourniture des alimentations électriques, du contrôle commande ou de problèmes dans la réalisation de composants comme le cône entrée RFQ, l’équipe CEA a su rebondir pour aboutir aux excellentes performances de cet injecteur en terme de courant extrait et d’émittance. L’injecteur a pu produire un courant de protons de 120 mA en fin de ligne après le passage du cône RFQ, avec une émittance normalisée de 0.2380 Π.mm.mrad compatible avec l’injection dans le futur RFQ avec une transmission de plus de 80% selon les abaques fournies par GSI. Non seulement les objectifs sont atteints, mais ces résultats sont meilleurs que les spécifications requises (cf tableau ci-dessous):
Spécification injecteur du FAIR proton Linac
Contact: Olivier Delferrière
• Physique et technologie des accélérateurs › Instrumentations et développements pour les accélérateurs
• Le Département d'Ingénierie des Systèmes (DIS) • Le Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme (DACM)
• Laboratoire d’'études et de développements pour les accélérateurs (Léda)
