Etudes et conception d'un refroidisseur radiofréquence à gaz-tampon pour des faisceaux de hautes intensités - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2009

Studies and conception of a radiofrequency cooler for high intensity beams

Etudes et conception d'un refroidisseur radiofréquence à gaz-tampon pour des faisceaux de hautes intensités

Résumé

The topic of this thesis is the study and the conception of a RFQ Cooler with buffer gas for high intensity radioactive beams. This project is in the frame of the next extension of GANIL, Spiral2, and the future low-energy facility DESIR (« Decay, Excitation and Storage of Radioactive ions »). The goal is to reduce the beams emittance of Spiral2 beams to allow their purification (ideally at isobaric level) with a high resolution separator. This cooler consists on a quadrupolar structure on which ions are confined by RF potential in opposite phase at an energy of 100 eV. A light buffer-gas, typically helium, is injected in the quadrupole and, after each collision, the ion lose a part of its energy and is finally cooled. The main problem on our project concerns the space charge. The existing devices are able to cool currents of few 10nA whereas we have to treat beam intensities around 1 μA which induce an increase of the Coulomb repulsion between ions. That needs to produce strong RF fields which induce high RF potentials (≈ 10 kVpp) and a low inner radius (r0 ≈ 3 à 5 mm). We have worked on a first prototype, SHIRaC-Phase1 (« Spiral2 High Intensity Radiofrequency Cooler »), with a 3 mm-inner radius, built at CSNSM-Orsay and moved at LPC-Caen at the end of 2007. The main R&D effort concerns the electronic part. A first RF system, based on a LC resonant circuit, has been developed and has provided up to 2500 Vpp between 4.5 and 6.3 MHz. In these conditions, we have checked that we didn't have strong limitations from electrical breakdown between our electrodes. With this device, we have reduced the beam emittance to a value around 2 π.mm.mrad at 60 keV and the longitudinal energy spread to 146 meV. The maximum transmission of Sodium 23Na+ and Rubidium 87Rb+ is 25% with an ionization source for which the beam quality is better than Spiral2. For this reason, we have conceived a new cooler with an acceptance of 80 π.mm.mrad at 60 keV. This second prototype has a larger inner radius (r0 ≈ 5 mm) and new sets of injection and extraction electrodes. The performances of the RF system have been improved to reach amplitudes up to 7 kVpp for frequencies between 5.9 MHz and 7.3 MHz. It takes account of the security and maintenance considerations for Spiral2.
Le sujet de cette thèse est l'étude et la conception d'un refroidisseur radiofréquence à gaz-tampon pour des faisceaux de haute intensité. Ce projet s'inscrit dans le cadre de la prochaine extension du GANIL, Spiral2 et de la future installation basse-énergie DESIR (« Désintégration, excitation et stockage d'ions radioactifs »). L'objectif est de réduire l'émittance des faisceaux de Spiral2 pour permettre à un séparateur haute-résolution d'en effectuer la purification, idéalement au niveau isobarique. Ce refroidisseur consiste en une structure quadrupolaire linéaire dans laquelle les ions sont confinés par des champs RF en opposition de phase à une énergie d'environ 100 eV. Un gaz léger, généralement de l'hélium, est injecté dans le quadrupole et, à chaque collision, l'ion perdra de l'énergie et sera finalement refroidi. La principale problématique de notre projet est la charge d'espace. En effet, les appareils existants sont capables de refroidir des courants de quelques dizaines de nanoampère quand nous aurons à faire face à des intensités de l'ordre du microampère ce qui accroitra la répulsion coulombienne entre les ions. Cela impose de produire de forts champs de confinement ce qui se traduit par des amplitudes RF élevés (≈ 10 kVpp) et un petit rayon interne (r0 ≈ 3 à 5 mm). Nous avons travaillé sur un premier prototype, SHIRaC-Phase1 (« Spiral2 High Intensity Radiofrequency Cooler »), ayant un rayon de 3mm, construit au CSNSM-Orsay et déplacé au LPC-Caen à la fin de 2007. Le principal effort en termes de R&D a porté sur la partie électronique. Un premier système, basé sur un circuit résonant LC, a été développé permettant de fournir jusqu'à 2500 Vpp entre 4.5 et 6.3 MHz. Dans ces conditions, nous avons vérifié que nous n'avions pas de fortes limitations dues aux décharges électriques entre nos électrodes. Avec ce dispositif, nous avons réduit l'émittance des faisceaux à 2 π.mm.mrad à 60 keV et la dispersion en énergie longitudinale à 146 meV. La transmission maximale en Sodium 23Na+ et en Rubidium 87Rb+ est de 25% avec une source à ionisation de surface dont la qualité du faisceau est meilleure que celle de Spiral2. Cela nous a incités à concevoir un nouveau refroidisseur avec une acceptance de 80 π.mm.mrad à 60 keV. Ce second prototype a un rayon interne plus grand (r0 ≈ 5 mm) et de nouveaux jeux d'électrodes à l'injection et à l'extraction. Les performances du système RF ont été améliorées pour atteindre des amplitudes de 7 kVpp pour des fréquences comprises entre 5.9 MHz et 7.3 MHz. Les exigences en termes de sécurité et de maintenance pour Spiral2 ont également été prise en compte.
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Dates et versions

tel-00435557 , version 1 (24-11-2009)
tel-00435557 , version 2 (26-03-2010)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00435557 , version 2

Citer

F. Duval. Etudes et conception d'un refroidisseur radiofréquence à gaz-tampon pour des faisceaux de hautes intensités. Physique Nucléaire Théorique [nucl-th]. Université de Caen, 2009. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00435557v2⟩
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