La ligne basse énergie très compacte de l’injecteur FAIR en phase 3 de commissioning en 2020. Le faisceau va de gauche à droite. La ligne est équipée de deux emittance-mètres de type Allison (à gauche celui développé par l’IPHC, à droite celui développé par le LEDA
En phase de mise en service à Saclay depuis fin 2017, l’injecteur du Linac à protons du projet FAIR a été livré et installé au GSI (Darmstadt, Allemagne) en 2020. L’objectif est de caractériser le faisceau de protons dans l'injecteur et à la sortie, au point de vue pureté, courant et émittance.
L'injecteur du projet FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) a pour mission de produire un faisceau de protons qui sera injecté dans l’étage d’accélération suivant, une cavité radio-fréquence quadrupolaire (RFQ) de type « Ladder RFQ » actuellement en construction à l’université de Frankfort. L’injecteur comporte une source d'ions de type ECR (Electron Cyclotron Resonance) suivie d'une ligne de transport basse énergie (LBE) équipée de deux solénoïdes pour assurer la bonne focalisation du faisceau.
Plusieurs diagnostics ont été utilisés successivement pour caractériser le faisceau à trois positions : 1) à la sortie de la colonne accélératrice de la source, 2) sur la LBE entre les 2 solénoïdes, 3) à la sortie de la LBE, autour du point focal d’injection dans le RFQ. Le faisceau a été analysé en pureté avec un filtre de Wien (H+, H2+, H3+, ions lourds). Le courant total extrait a été mesuré à l’aide d’un ACCT (AC Current Transformer) et en bout de ligne avec un second ACCT sur l’arrêt faisceau. Enfin, l’émittance du faisceau a été mesurée à l’aide d'un scanner de type Allison.
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.
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.
Les premiers faisceaux ont été extraits de la source à partir de mi-2016, d’abord avec des électrodes plasma avec des diamètres 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 aux mises en service des injecteurs réalisées au DACM jusqu’à présent (IPHI, IFMIF, SPIRAL2), une procédure innovante a été mise en œuvre, consistant à caractériser le faisceau en fonction du profil axial de champ magnétique dans la chambre plasma tout en conservant la zone de résonance électronique au niveau de l’injection de l’onde RF dans la chambre plasma. Pour cela on fait varier le courant dans les deux bobines B1 (proche de l’extraction) et B2 (proche de l’injection RF).
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 pratiquement pas de H3+. Les mesures d’émittance ont montré des valeurs rms normalisées variant entre 0.27 et 0.46 p.mm.mrad, principalement en fonction du courant extrait, à cause de la charge d’espace.
Fraction de protons mesurée selon la puissance HF injectée, pour différentes configurations magnétiques.
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 l’impulsion de faisceau avec le temps de montée le plus court.
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. En 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 des espèces à la sortie de la colonne accélératrice, les mesures se sont poursuivies entre les 2 solénoides et au voisinage du cône d'injection dans le RFQ, afin de déterminer la position du point focal assurant la meilleure transmission au travers du cône. Le courant est mesuré à 3 endroits : en sortie de source avec l’ACCT1, à la sortie du deuxième solénoide avec l’ACCT2, et enfin sur l’arrêt faisceau.
Fin du Commissioning à Saclay
Depuis le début de la collaboration entre l’IRFU et GSI en 2009, les agents du DACM et du DIS impliqués dans la partie Injecteur du projet FAIR ont démontré au fil des années leur capacité à concevoir, réaliser et faire fonctionner un injecteur à protons de 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 d'injection dans le RFQ, l’équipe a su rebondir pour aboutir aux excellentes performances de cet injecteur en termes 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 du RFQ, avec une émittance normalisée de 0.24 pi.mm.mrad compatible avec l’injection dans le futur RFQ. L’ensemble a été envoyé à GSI en octobre 2020.
Publication principale : 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).
Financements : Collaboration Contract on the construction of the international Facility for Antiproton and Ion Research in Europe (FAIR) for the proton Linac
• Physique et technologie des accélérateurs › Sources et injecteurs à haute intensité
• Le Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme (DACM)
• Laboratoire d’ingénierie des systèmes accélérateurs et des hyperfréquences (Lisah) • Laboratoire d’intégration et de développement des cavités et des cryomodules (LiDC2) • Laboratoire d’'études et de développements pour les accélérateurs (Léda)
