Accélérateurs
L'équipe des accélérateurs du Pôle Accélérateurs et Sources d'Ions du Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie (LPSC) a pour mission le développement, la conception, la réalisation et l'exploitation d’accélérateurs de particules. Il est spécialisé dans la dynamique et l'optique des faisceaux (ions, électrons) et les aspects liés à la radio-fréquence. L'équipe est engagée dans des projets locaux, nationaux et internationaux aux vocations allant de la physique fondamentale jusqu’au retraitement des déchets nucléaires dans des activités de R&D, de construction et d'exploitation d'accélérateurs ou de sous-systèmes accélérateurs. Pour cela, il s’appuie sur les compétences des services techniques du LPSC.
Depuis la fin des années 1990, l'équipe accélérateur travaille dans la thématique des accélérateurs électrostatiques pour la production de neutrons avec les machines de type GEnérateur de NEutrons Pulsé Intense (GENEPI). L’accélérateur GENEPI1, aprés un couplage réussi avec le réacteur MASURCA (MAquette de SURgénératrice à CAdarache) et son exploitation, a été retiré de Cadarache. GENEPI2 est en fonctionnement au LPSC pour la plateforme d'Etude et de Recherche sur l'Energie Nucléaire (PEREN) et ainsi que pour de nouvelles utilisations. La dernière machine est exploitée dans le cadre du projet GUINEVERE (Generator of Uninterrupted Intense NEutrons at the lead VEnus REactor) pour le pilotage d'un réacteur nucléaire au SCK-CEN (Belgique).
Depuis 2004, l'équipe des accélérateurs est impliquée dans le grand projet national du Système de Production d'Ions Radioactif en Ligne (SPIRAL 2) pour lequel elle a la responsabilité de concevoir et réaliser les coupleurs de puissance pour les cavités accélératrices supra-conductrices.
Nos deux principaux projets sont l'accélérateur électrostatique pour le projet GUINEVERE et les coupleurs de puissance du projet SPIRAL2. Nous sommes également responsables du développement et de la construction de la ligne de basse énergie du projet MYRRHA, démonstrateur de réacteur piloté par accélérateur à l'échelle multi-megaWatts.
Les deux principales activités actuelles de R&D sont liées aux études de phénomènes radiofréquences de type multipactor et les études de transport de faisceaux de hadrons intenses à basse énergie.
Par le passé, nous avons travaillé sur le thème de la hadronthérapie, qui est une technique d’irradiation par ions légers ayant pour but de soigner certains types de cancers pour les projets Espace de Traitement Oncologique par Ions Légers dans le cadre Européen (ETOILE) et Centre NAtional d'Oncologie italien (CNAO) à Pavia, structure très similaire au projet français. Nous travaillons régulièrement en collaboration avec le CERN pour des études de dynamique de faisceau (LINAC4), de structures radiofréquences (EUCARD, RFTech, CARE/HIPPI) ou pour des suivis de fabrication (contribution exceptionnelle de la France pour le CERN).
Développement des sources d'ions ECR pour les accélérateurs et les applications industrielles
Introduction
L'équipe "Sources d'Ions" du pôle accélérateurs et sources d'ions du LPSC est l'un des seuls groupes au monde dont l'activité est entièrement dédiée au développement des sources d'ions à la Résonance Cyclotronique Electronique, et ce quelle que soit leur utilisation. Ce type de sources d'ions a été inventé au CEA-Grenoble, par Richard Geller, dans les années 70, à partir de la reconversion des machines droites utilisées pour les études sur la fusion thermonucléaire contrôlée.
Les sources à la Résonance Cyclotronique Electronique (ECR)
Une source d'ions ECR est une cavité sous vide, immergée dans un champ magnétique, et dans laquelle on injecte une onde hyperfréquence. Celle-ci permet le chauffage des électrons et la formation d'un plasma, les caractéristiques de sa population ionique dépendront de l'énergie moyenne des électrons et du confinement magnétique. Les ions produits sont extraits à l'aide d'un champ électrique formé par un système d'électrodes placé à l'extrémité de la cavité.
La complexité et le coût de la source dépendent directement des types de faisceaux que l'on veut produire, ceux-ci étant déterminés par l'utilisation que l'on veut en faire. Initialement, ces sources souvent capables de produire des faisceaux intenses d'ions lourds multichargés, ont permis un renouveau de la physique de l'étude du noyau atomique (physique nucléaire). De nos jours, elles trouvent des applications de plus en plus nombreuses, telles que les accélérateurs pour la hadronthérapie permettant de détruire certains types de tumeurs radiorésistantes à l'aide de faisceaux d'ions de carbone de haute énergie, ou des applications totalement industrielles que ce soit pour le traitement des matériaux ou les dépôts de couches minces.
Missions du service
La mission du Service des Sources d'Ions est de concevoir, construire et tester des prototypes de sources d'ions, leurs outils de caractérisation (éléments magnétiques d'analyse et de transport, diagnostics de faisceaux), le développement allant jusqu'à leur intégration dans des machines de process pour les applications industrielles. Pour ce faire, l'équipe sources d'ions reçoit le soutien de la plupart des Services Techniques et Supports du LPSC.
Nous développons ces activités dans le cadre de programmes locaux, nationaux, européens et internationaux, ainsi qu'en collaboration avec des entreprises.
Les projets
SPIRAL2
Pour les projets d'accélérateurs, le service apporte une très forte contribution à la construction de SPIRAL2. Cet accélérateur, qui est en cours de construction, a pour objectif dans un premier temps, la production de faisceaux intenses d'ions stables (phase I), puis dans un deuxième temps la production de faisceaux d'ions exotiques accélérés (phase II).
Pour la phase I, le service a pour responsabilité la conception, construction et tests de la source d'ions lourds multichargés de haute intensité dont le cahier des charges ultime est sans précédent dans le monde (1 mA d'Ar12+). De plus le LPSC et l'Institut de Physique Nucléaire de Lyon ont pris en charge la construction et les tests de la ligne basse énergie ions lourds en collaboration avec le GANIL, le CEA-IRFU et l'IPHC. (voir SPIRAL2 pour plus de détails).
Booster de charge
Pour SPIRAL2 phase II, l'équipe a effectué la conception et la nucléarisation du booster de charge qui permet de multi-ioniser les ions radioactifs monochargés produits dans un ensemble cible-source en vue de leur accélération. Cette phase II étant pour le moment arrêtée, l'équipe a pris en charge la conception, la construction et la qualification du booster de charge de l'accélérateur SPES (INFN-Legnaro) puis assurera la qualification du booster de charge dans le cadre de l'upgrade de SPIRAL1.
Source ECR 60 GHz
Depuis 2008, l'équipe a une activité de R&D dans le domaine des sources d'ions à haute fréquence (60 GHz) en collaboration avec le Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses et l'Institute of Appllied Physics - Russian Academy of science. Un prototype de source d'ions utilisant les techniques des aimants à fort champ a été réalisé par le LPSC en collaboration avec le LNCMI, un gyrotron 60 GHz pulsé de haute puissance a été conçu et construit par la société GYCOM et l'IAP puis installé à Grenoble, ainsi en mars 2014 des premiers faisceaux d'ions ont été extraits d'une source d'ions ECR à 60 GHz possédant une zone de résonance à 2.14 T topoliquement fermée, les résultats obtenus sont tout à fait nouveaux, il s'agit d'une première mondiale
