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F. Poiri­er, ARRONAX

F. Oss­wald, IPHC

Article

EmitM,

Un nouvel Ă©mittance-mĂštre pour qualifier les faisceaux d’ions Ă  la disposition de la communautĂ©

Introduction.

Un nou­veau scan­ner qui per­met de mesur­er des dis­tri­b­u­tions d’ions dans l’espace des phas­es trans­vers­es est en ser­vice depuis quelques mois. Cet Ă©mit­tance-mĂštre per­met de qual­i­fi­er les fais­ceaux jusqu’à une Ă©nergie de 100 keV et une puis­sance de 300 W (1 kW/cmÂČ). Il s’agit d’un diag­nos­tic Ă©voluĂ© appor­tant de nom­breuses infor­ma­tions sur la struc­ture du fais­ceau dont la den­sitĂ© et la dynamique des charges. L’instrument a Ă©tĂ© rĂ©al­isĂ© entre 2018 et 2020 par l’IPHC avec l’aide de ARRONAX, du CENBG, de l’IJCLab, et un cofi­nance­ment entre l’IN2P3 et le JINR. Il est basĂ© sur le principe Alli­son et une con­cep­tion Ă©prou­vĂ©e datant de 2008 et rĂ©al­isĂ©e par l’équipe de C. Olivet­to Ă  l’IPHC.

Une douzaine d’exemplaires est en ser­vice actuelle­ment dans le monde et une licence d’exploitation com­mer­ciale non exclu­sive est en cours avec la sociĂ©tĂ© Pan­tech­nik. Le dernier sys­tĂšme a Ă©tĂ© mis en ser­vice, testĂ© Ă  l’IPHC et dans le lab­o­ra­toire iCUBE (INSIS) en dĂ©cem­bre 2020. Le tra­vail effec­tuĂ© sur ce dernier mod­Úle a per­mis Ă  l’équipe de rĂ©vis­er les four­nisseurs et rĂ©duire les coĂ»ts (sourc­ing), ain­si que de rĂ©alis­er des Ă©tudes com­plé­men­taires de maniĂšre Ă  mieux maitris­er les lim­i­ta­tions du systĂšme.

En jan­vi­er 2021, il a Ă©tĂ© instal­lĂ© sur le cyclotron d’ARRONAX et a suivi une cam­pagne de mesure de plusieurs semaines jusqu’en avril. Cette pre­miĂšre cam­pagne rĂ©ussie fait par­tie d’un pro­gramme de l’IPHC appelĂ© A4 qui vise Ă  exploiter l’émit­tance-mĂštre et car­ac­tĂ©ris­er cette annĂ©e les fais­ceaux sur ARRONAX (Sub­at­e­ch), AIFIRA (CENBG), ARIBE (CIMAP/GANIL) et ALTO (IJCLab). L’instrument est dĂ©sor­mais mis Ă  la dis­po­si­tion de la com­mu­nautĂ© en asso­ci­a­tion avec le RĂ©seau Instru­men­tion Fais­ceau de l’IN2P3. Cette action struc­turante vise Ă  partager un out­il mais Ă©gale­ment les con­nais­sances issues des expĂ©ri­ences rĂ©alisĂ©es. 

 

L’instrument, en bref

Etudes complémentaires réalisées
entre 2018 et 2021

I/V front-end convertor

  • DC lin­ear­i­ty, AC BW, depen­dan­cy with cur­rent inten­si­ty and load imped­ance (DC-20 MHz)
  • Com­par­i­son between dif­fer­ent prod­ucts:
    IPHC, GANIL, Fem­to, Lib­era,
    Civide–
  • Improve­ment of shield­ing, ground­ing and line imped­ance adaptation

Beam optics inside probe

  • Ion track­ing with real accep­tance, off-axis tra­jec­to­ries (non-parax­i­al assump­tion),
    fringe fields and space charge
  • Inves­ti­ga­tions towards the mea­sure­ment lim­its to eval­u­ate beam halo

Thermal capabilities

  • Mod­el­ling with dif­fer­ent heat trans­fers
  • Assess­ment of the hot spot tem­per­a­ture, depen­dan­cy with beam specs
  • Eval­u­a­tion of ther­mal expan­sion and slit aper­ture modification
  • Devel­op­ment of a numer­i­cal tool to eval­u­ate safe oper­a­tional con­di­tions
    (Python
    based, user friend­ly, fast, cheap)

Beam losses and interaction with environment

  • Ion-bulk mate­r­i­al inter­ac­tion, sput­ter­ing, back-scat­ter­ing, implan­ta­tion with 316L (SRIMÂź)
  • Depen­dan­cy with mass, ener­gy and inci­dence angle
  • Degra­da­tion of W due to man­u­fac­tur­ing and first approach of sur­face age­ing due to beam (swelling and blis­ter­ing) 
  • Neu­tron acti­va­tion i.e. eval­u­a­tion of radionu­clides pro­duc­tion (FLUKA, dosime­try, spec­trom­e­try)
  • Radi­o­log­i­cal inven­to­ry, decays, resid­ual activ­i­ty
  • Frac­tion­al dos­es, orga­ni­za­tion of oper­a­tion, use and trans­port of acti­vat­ed mate­ri­als, pro­ce­dures, cost­ing
ARIBE : Qual­i­fi­ca­tion d’un pro­to­type de mod­ule de trans­port de fais­ceau Ă  faible perte en rĂ©al­isant des mesures d’émittance dif­fĂ©ren­tielles. Revient Ă  car­ac­tĂ©ris­er le halo jusqu’aux plus faibles inten­sitĂ©s mesurables, donc Ă  observ­er la sig­na­ture lais­sĂ©e par les dĂ©fauts du mod­ule sur les couch­es pĂ©riphĂ©riques du fais­ceau lors de son pas­sage dans une struc­ture de focal­i­sa­tion quadripolaire
(sep­tem­bre 2021)
IPHC : Mon­tage de l’EmitM sur un banc pour car­ac­tĂ©ri­sa­tion d’une source de type canon Ă  ions cesium (Heat­Wave Labs, Inc). Obser­va­tion du fais­ceau focal­isĂ© et des aber­ra­tions optiques (juin 2021)

Arronax :

Instal­la­tion de l’EmitM dans la ligne d’injection ver­ti­cale du cyclotron C70 en case­mate. Obser­va­tion de struc­tures de fais­ceau Ă  den­sitĂ© d’ions non homogĂšnes (avril 2021)

CENBG :

Instal­la­tion de l’EmitM en bout de ligne du spec­tromùtre HRS/DESIR/SPIRAL 2.

Obser­va­tion des aber­ra­tions
optiques créées par les aimants (juin 2021)

A venir​

Car­ac­tĂ©ri­sa­tion de fais­ceaux radioac­t­ifs sur les nou­velles lignes d’ALTO Ă  l’IJCLab, et des nou­veaux fais­ceaux sur le canal d’injection du cyclotron DC280 du FLNR/JINR Ă  Dub­na (pré­parat­ifs en cours)


Perspectives​

L’expĂ©rience du passĂ© com­plĂ©tĂ©e de celle des derniĂšres cam­pagnes de mesure nous amÚ­nent Ă  imag­in­er une solu­tion future plus per­for­mante et plus adap­tĂ©e aux exi­gences des nou­veaux fais­ceaux. L’instrument actuel repose sur des solu­tions tech­niques clas­siques et Ă©prou­vĂ©es mais n’intĂšgre pas de solu­tions inno­vantes dans le domaine de l’impression addi­tive, des logi­ciels ouverts ou de l’intelligence arti­fi­cielle par exem­ple. Il prĂ©sente des incon­vĂ©nients en ter­mes de flex­i­bil­itĂ© (adap­ta­tion pour appli­ca­tions spé­ci­fiques), disponi­bil­itĂ©, logis­tique, et radio­pro­tec­tion (con­traintes de cal­en­dri­er, de coĂ»t et de trans­port entre sites). Par ailleurs, la solu­tion indus­trielle, bien que sĂ©duisante a pri­ori, prĂ©sente un coĂ»t Ă  l’achat Ă©levĂ©, et mon­tre des lim­ites au niveau des per­for­mances (pré­ci­sion de mesure) et de la flex­i­bil­itĂ© dans le cas d’applications spé­ci­fiques. L’idĂ©e serait d’innover non seule­ment au niveau tech­nologique et sci­en­tifique, mais Ă©gale­ment Ă©conomique et struc­turel. Les lab­o­ra­toires bĂ©né­ficieraient de la tech­nolo­gie et des con­nais­sances pour implé­menter et dĂ©velop­per les mesures d’émit­tance Ă  leur grĂ© et Ă  coĂ»ts rĂ©duits (mise Ă  dis­po­si­tion des plans et partage des expĂ©ri­ences au sein du RIF).

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