Booster de charges

Le pôle développe depuis la fin des années 1990 la source d’ions « Booster de charges » de type « PHOENIX » ayant la capacité d’augmenter l’état de charge d’un faisceau de basse énergie. Les ions sont décélérés dans le plasma RCE de la source où ils perdent leurs électrons par bombardement électronique avant d’être extraits en faisceau d’ions grâce à un système d’électrodes. Les Boosters de charges sont utilisés sur des installations de recherche sur les ions exotiques telles que GANIL-SPIRAL1, TRIUMF-ISAC ou LNL-SPES afin de rendre leur ré-accélération plus efficace. Les développements réalisés sur la source de R&D du LPSC visent à améliorer les performances des Booster de charges. Ces études sont soutenues et réalisées en coopération avec le GANIL. Le LPSC collabore également au développement de la source de LNL-SPES pour laquelle 2 contrats de collaboration et de recherche ont permis de fabriquer la source puis de réduire la contamination co-extraite, paramètre clef pour cette technologie. Le banc de tests 1+N+ du LPSC sur lequel le Booster de charges est testé ainsi que ses différents diagnostics sont également utilisés lors de campagnes expérimentales internationales visant à mieux connaitre les plasmas RCE.

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ECRIPAC - Simulations plasmas

Le projet ECRIPAC (Electron Cyclotron Resonance Ion Plasma Acceleration) s’intéresse à valider par simulation le concept d’accélération plasma de pulses d’ions comme proposé par R. Geller en 1991, inventeur des sources d’ions à la résonance cyclotronique électronique (RCE). Un tel accélérateur est capable de produire des ions au-delà d’une énergie cinétique de 10 MeV/A avec les technologies usuelles d’une source RCE, donc sans l’emploi des classiques cavités accélératrices ni des modernes lasers de puissance femto seconde. Le concept initial de machine ECRIPAC est proposé sur la figure ci-dessous. La première phase du projet fait l’objet de la thèse de doctorat d’A. Cernuschi (UGA) au sein du pôle, en collaboration avec le laboratoire LAPLACE de Toulouse, spécialiste des simulations plasma. Après une étude bibliographique et la récente confirmation de la validité du concept par un code Monte-Carlo dédié à la dynamique des électrons, la mise en œuvre d’un code de type Particle In Cell (PIC), permettant de simuler la dynamique du plasma du générateur, va bientôt démarrer.

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FCC

FCC (Future Circular Collider) est le grand projet à l’étude au CERN d’un accélérateur circulaire de presque 100 km de circonférence pour arriver à des énergies d’autour 100 TeV.
Le Master Projet FCC – NPC englobe les différentes contributions du CNRS au projet FCC.
Le Pôle participe au FCC- NPC dans le lot de tâches 8 ‘SupraRadioFréquence’ où il a la responsabilité.
Dans ce cadre une étude poussée du multipactor dans les cavités SWELL (Slotted Waveguide ELLiptical cavity), innovantes et candidates au FCC a été réalisée.
D'autres études sont en cours de discussion avec le CERN.

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GENEPI2

GENEPI2 (GEnérateur de NEutrons Pulsé Intense) est un accélérateur électrostatique d'ions deutérium (deutons) qui génère un faisceau continu monochromatique de neutrons.

Les deutons sont produits par une sources d’ions de type RCE. La source est placée sur une plateforme haute tension à un potentiel de 220 kV. La différence de potentiel permet d’accélérer les ions à travers le tube accélérateur. Les ions sont ensuite triés par un dipôle et transportés à l’aide d’un ensemble de quadrupôles et de steerers jusqu’à une cible de deutérium ou de tritium. C’est sur la cible qu’a lieu la réaction de fusion qui produit des neutrons de 2.5MeV avec une cible de deutérium et de 14MeV avec une cible de tritium.

Initialement, GENEPI2 a été construit pour les expériences de physique neutronique de la plateforme PEREN (Plateforme d'Etude et de Recherche sur l'Energie Nucléaire). Il est aujourd'hui utilisé pour réaliser des irradiations aux neutrons sur la plateforme GENESIS (GEnerator of NEutrons for Science and IrradiationS).

 

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MULTIPAC

Multipac est un projet de recherche de l’IN2P3 entre le IJCLab et le LPSC qui a pour but d’étudier le phénomène du multipactor afin de le réduire et, si possible, le faire disparaître.
Le multipactor est un phénomène parasite résonant, intervenant dans les structures sous vide soumises à une onde radiofréquence (RF). Dans le domaine des accélérateurs il peut, entre autres, empêcher l’injection de la puissance RF aux cavités accélératrices et causer la rupture des céramiques des coupleurs provoquant la remise à l’air de l’accélérateur.
Le Pôle est en train de développer un banc de test qui est déjà utilisé pour caractériser le phénomène (en collaboration avec le CEA Saclay, CEA IRFM, ONERA DPHY) et pour étudier de dépôts antimultipactor (en collaboration avec le SIMaP / INC).
Ces travaux sont soutenus par le CNRS, via l’appel à projet inter-instituts « 80Primes », par l'Institut Carnot « Energies du futur » et par des dotations projets.

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NEWGAIN

Le LPSC est impliqué dans le projet NEW GANIL INjector (NEWGAIN), qui consiste à développer un nouvel injecteur d’ions lourds avec un rapport masse sur charge jusqu’à 7 pour l’accélérateur linéaire SPIRAL2 du GANIL. Le pôle est responsable de la coordination des lots de tâches « Source d’Ions et plateforme » et « Ingénierie Système ». En collaboration en interne avec le SERM, le service électronique, le SDI et en externe avec le GANIL et le DACM du CEA Saclay, le LPSC conçoit une source d’ions supraconductrice RCE nommée ASTERICS. Une vue en coupe de la conception mécanique de la source ASTERICS est proposée sur la figure ci-dessous. Cette source utilise la technologie de pointe nommée « bladder and keys », pour réduire le risque de fabrication des bobines magnétiques et contiendra un volume de plasma environ deux fois plus important que les sources d’ions existantes aux États-Unis, en Chine et au Japon. Cela permettra d’augmenter significativement les intensités de faisceaux d’ions fabriqués par la source, avec pour objectif la production en opération continue jusqu’à 340 µA d’U³⁴⁺. La source d’ions et sa ligne d’analyse seront assemblées au LPSC, puis qualifiées pendant environ 2 ans avant leurs installations définitives au GANIL pendant la période ~2030-2032.

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PACIFICS

Le projet PACIFICS (Particle Accelerator Initiative for Future Innovative and Challenging Systems) est un Equipex+ / ESR¹ financé par l’ANR dans le cadre du (PIA)3², et qui a pour

objectif la jouvence de plusieurs équipements scientifiques de très haut niveau technologique pour maintenir notre leadership dans nos domaines de recherche sur la période 2021 à 2027.

Le Pôle Accélérateurs et Sources d'Ions est engagé dans l’un des 4 axes scientifiques, « Sources d’Ions de nouvelle génération et de haute performances », qui explore la R&D sur les sources ECR de haute intensité. Le budget est réparti sur plusieurs équipements du Pôle : Aimants supras pour la source cryogénique du projet 60 GHz en mode CW et alimentations HT pour le gyrotron, générateur HF large bande 10-18 GHz pour la ligne 1+N+ et son Booster de charges, uniformisation du contrôle-commande des 3 lignes accélératrices du Pôle (BFC, 1+N+, 60 GHz), upgrade de 5 alimentations HT pour l’ensemble des lignes.

        

¹ Equipex + / ESR : Equipement Structurant pour la Recherche pour investir dans des équipements scientifiques majeurs

² PIA3 : Programme d’Investissements d’Avenir

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PERLE

Un accélérateur linéaire d’électrons à récupération d’énergie (Energy Recovery Linac ou ERL) exploite l’énergie des faisceaux en circulation dans la machine, après leur utilisation, pour accélérer les faisceaux suivants, nouvellement injectés dans l’accélérateur. Ce concept permet de réduire drastiquement la consommation énergétique des systèmes RF de l’accélération et prévoit un niveau d’efficacité énergétique inédit pour la discipline d’un intérêt particulier dans l’optique des futurs collisionneurs de haute énergie.

Le projet PERLE ambitionne de développer un démonstrateur d’ERL multi-tours (20 mA, 250 MeV) à Orsay pour éprouver la faisabilité des ERL de forte puissance. Dans une première phase, l’accélérateur sera équipé d’une seule recirculation de faisceau. Cette construction bénéficie du support financier du CNRS via un projet à risques et à impact ERL4ALL et du projet européen iSAS.

En étroite collaboration avec IJCLab sur ce projet, le pôle

• assure la responsabilité scientifique de l’accélérateur et mène les études d’efficacité énergétique de l’accélérateur,
• dirige le développement du photogun qui doit produire le faisceau d’électrons, intense et adapté à l’injection dans l’anneau ERL.

 

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REFILL - Compensation de pannes

La fiabilité est un enjeu majeur dans la perspective d’améliorer les performances, de façon pérenne, des accélérateurs de hadrons de forte puissance. Afin d’optimiser le coût de fonctionnement et le rendement énergétique de la machine les exigences sur la disponibilité faisceau deviennent, et doivent être, élevées.

Dans ce but, le Pôle coordonne le projet de recherche IN2P3, REFILL :  Reliability & Failure compensation methods for Linacs . 

L’objectif principal de ce projet est le développement de nouvelles méthodes de réglage pour les accélérateurs de forte puissance. Il se focalise notamment sur la compensation des pannes dans les linacs (cf. Figure 1).  Dans cet objectif des études du physique du faisceau sont menées, ainsi que le développement d’un code dédié : LightWin.

La faisabilité technologique est aussi étudiée : modélisation de cavité accélératrice supraconductrice et des boucles de régulations associées (LLRF et système d’accord en fréquence). Des études expérimentales pour l’application de schémas de compensation de panne sont menées sur le linac supraconducteur SPIRAL2 du GANIL (cf. Figure 2).

Ces outils et théories sont applicables à de nombreux accélérateurs. L’objectif est d’amener une meilleure compréhension du système et d’anticiper sur les futurs réglages à apporter en fonction des modes de fonctionnement (courant, type de particule, mode pulsé ou continu, etc.), d’appréhender les phénomènes transitoires (primordial dans le cas du projet d’ERL PERLE). Il permet aussi d’évaluer les limites et de dimensionner les différents systèmes (saturation des amplificateurs RF, surconsommation cryogénique, etc…).

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SEISM 60 GHz

Le projet 60 GHz a pour objectif de relever les défis scientifiques associés aux sources d’ions RCE à très haute fréquence, en développant une ligne de faisceau durable pour le transport et l’analyse de faisceaux intenses, tout en approfondissant l’étude de la physique des plasmas.

En 2019, le LPSC a redémarré la recherche en établissant un partenariat avec le LNCMI pour accéder à leurs installations expérimentales jusqu'en 2025. En effet, une telle source nécessite un courant de 26000 A pour générer le champ magnétique nécessaire à son fonctionnement, disponible au LNCMI.

Les premières étapes ont inclus la réparation d'équipements endommagés et la conception d'une nouvelle ligne de transport, permettant d'améliorer la transmission du faisceau. Les premiers résultats ont permis d'atteindre un faisceau de 1 mA avec une transmission de 75 %.

Pour l'avenir, le projet se concentre sur le développement d'une nouvelle source RCE à 60GHz, qui sera équipée d’aimants de confinement supraconducteurs, permettant un fonctionnement autonome au LPSC. Cette installation bénéficiera d'une chambre de grand volume pour des études approfondies sur les plasmas à haute densité. La refonte complète du système gyrotron est également prévue pour garantir un fonctionnement continu à 20 kW, avec l'objectif de transporter des faisceaux d'ions multichargés d'une intensité de 100 mA.

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