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L'un des défis des sources à la résonance cyclotronique électronique (sources ECR) est de produire des faisceaux d'ions d'intensités de plus en plus élevées (dizaines de mA) pour des ions multichargés. Pour atteindre cet objectif, il convient d'augmenter la densité du plasma et d'en maîtriser le confinement à l'aide d'une structure magnétique adéquate.

Dans les sources d'ions ECR la densité du plasma varie comme le carré de la fréquence de chauffage, la fréquence la plus haute utilisée actuellement pour les sources d'ions équipant des accélérateurs est de 28 GHz ce qui correspond à un champ magnétique de 1T.

Les trois structures permettant d'assurer à la fois la présence d'une zone de résonance topologiquement fermée à l'intérieur de la cavité sont le cusp, la bouteille magnétique et la structure à minimum-B.

CUSPscheme

bouteillemag

minimumB
Cusp
Bouteille magnétique
Minimum-B

La principale évolution des sources d'ions ECR se situe dans l'augmentation de la fréquence de chauffage et en conséquence du champ magnétique. Dans le cas des sources à minimum-B, il a été constaté expérimentalement qu'il fallait satisfaire à un certain nombre de conditions pour ce dernier. On peut différencier ces grandeurs caractéristiques:

  • Le champ à l'injection Binj
  • Le champ médian au centre de la structure Bmed
  • le champ à l'extraction Bext
  • Le champ radial le long d'un des pôles de l'hexapole Br
  • Le champ pour lequel la résonance cyclotronique est effective BECR

Pour que le confinement soit satisfaisant et que le gain en densité de plasma soit efficace, il faut satisfaire les conditions suivantes:

           Binj > 3.5 BECR              Bext ~ 2 BECR           Br ~ 2 BECR           Bmed ~ 0.8 BECR

ainsi pour une fréquence ECR de 28 GHz on devra avoir:

Binj > 3.5 T, Bext ~ 2 T, Br ~ 2 T, Bmed ~ 0.8 T. Ces valeurs doivent être obtenues à des positions distantes de quelques dizaines de centimètres et nécessitent l'utilisation de supraconducteurs. Afin d'augmenter encore la densité des plasmas obtenus, le LPSC a décidé de développer un programme de R&D pour la réalisation de prototypes de sources ECR à 60 GHz.

Nous collaborons depuis de nombreuses années avec l'Institute of Applied Phisics of the Russian Academy of Science (Nizhny Novgorod - Russie) sur la thématique des faisceaux d'ions pulsés (Afterglow et Preglow), ce laboratoire est à l'origine du développement des gyrotrons de forte puissance et à des installations expérimentales permettant l'étude des faisceaux plasmas ECR à haute fréquence de chauffage (37.5 GHz - 75 GHz).

 Dans le même temps nous nous sommes rapprochés du Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses - Grenoble, qui conçoit et réalise des aimants à fort champ. Nous avons collaboré pour étudier la faisbilité d'un prototype de source d'ions utilisant les techniques développées pour l'établissement de ces champs magnétiques intenses. Nous avons ainsi pu réaliser un prototype utilisant 4 hélices à refroidissement radial. une coupe de la conception, une hélice et une photo de ce prototype sont présentés ci-dessous:

hlice coupseism CAO seism
Hélice
Coupe de la conception
Prototype de source ECR 60 GHz