Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme

Simulation du faisceau dans les sources à résonance cyclotronique électronique

Depuis près de dix ans, l'émergence de nombreux projets a incité le CEA et le CNRS à collaborer dans le domaine des accélérateurs à fort courant et notamment à développer un démonstrateur à basse énergie, l'injecteur de protons à haute intensité Iphi. Parmi ces projets, on peut citer Spiral 2 à Ganil ou Ifmif qui souhaitent des faisceaux de deutons, le projet Fair à GSI ou les réacteurs hybrides qui souhaitent des protons. D'autres projets, comme le SPL au Cern, le proton driver à Fermilab ou les sources de spallation nécessitent des ions hydrogène négatifs qui seront ensuite injectés dans des anneaux de compression.

Toutes ces machines demandent une source d'ions performante et fiable que le Dapnia/SACM est à même de concevoir et de construire.

La modélisation du système d’extraction des particules de la source est effectuée en calculant le ménisque d’expansion du plasma et la génération du faisceau à travers un système d’extraction multi-électrodes.

Sachant que la qualité du faisceau à basse énergie influence fortement le design de l'accélérateur, il est important de poursuivre les développements sur les sources et leur système d'extraction. Une meilleure compréhension de la création du plasma et de l'interaction de l’onde radiofréquence avec le plasma, basée sur le développement d'un code de calcul, permettrait de s'affranchir de certaines hypothèses pour la conception des machines.

Transport de particules dans une ligne à basse énergie

Au-delà de la zone d’extraction, le transport du faisceau est simulé dans la ligne de basse énergie avec différents codes développés au SACM consacrés à la simulation de faisceaux d’ions multi-espèces en régime de charge d’espace ou de compensation de charge d’espace.

L’émittance de la partie à basse énergie d’un accélérateur doit être contrôlée car elle conditionne son fonctionnement à plus haute énergie. Dans le cas des accélérateurs à fort courant comme Iphi, le faisceau extrait de la source doit être conduit en limitant ses pertes ainsi que l’augmentation de son émittance. La dynamique de ces faisceaux intenses est dominée par des effets non linéaires du champ de charge d'espace. Au passage du faisceau des atomes du gaz résiduel de la chambre à vide sont ionisés ce qui induit une compensation partielle de la charge d’espace. Pour faire une simulation plus fine et avoir un meilleur accord avec les mesures expérimentales faites sur la source Silhi, des travaux ont été menés dans le cadre d’une thèse du SACM. Ceci a permis d’améliorer la compréhension des phénomènes physiques intervenant dans la dynamique des faisceaux intenses en régime de compensation de charge d’espace.

Dynamique des beta-beams

La connaissance des propriétés des neutrinos est un des défis de la physique contemporaine. Jusqu’à présent les physiciens ont utilisé les sources disponibles : neutrinos provenant de l’espace, ou des centrales nucléaires. Les études futures demanderont des faisceaux de neutrinos plus intenses et mieux définis en énergie et en saveur. Les beta-beams sont une des nouvelles sources envisagées pour produire des faisceaux de neutrinos.

Les études sont menées dans le cadre du projet européen Eurisol, en collaboration avec de nombreux laboratoires dont le CNRS, le Cern, GSI. Il s’agit d’utiliser la radioactivité beta des noyaux He⁶ et Ne¹⁸ comme source de neutrinos. Suivant l’espèce on produit des neutrinos ou des antineutrinos électroniques avec un spectre en énergie connu et relativement étroit. Après accélération, les noyaux beta radioactifs sont stockés dans un anneau de 7 km de circonférence, dont la définition revient au SACM, comportant deux longues sections droites alignées en direction du site expérimental. À chaque révolution, une proportion bien définie des noyaux stockés se désintègre, émettant des neutrinos dans leur direction de propagation. Les désintégrations ayant lieu dans l’une des sections droites produisent un pulse court de neutrinos dirigés vers le détecteur. Les noyaux résultants, Li⁶ ou F¹⁸, sont eux perdus dans l’anneau et sont une source d’activation qu’il faut contrôler. Pour obtenir le flux de neutrinos nécessaire aux expériences, il faut accumuler un nombre suffisant de noyaux dans l’anneau de décroissance et compenser périodiquement les désintégrations en injectant de nouveaux noyaux. Ces processus sont aussi à l’origine de pertes qui doivent être maîtrisées.