F. Poiri­er, ARRONAX

F. Oss­wald, IPHC

Article

EmitM,

Un nouvel émittance-mètre pour qualifier les faisceaux d’ions à la disposition de la communauté

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 émit­tance-mètre per­met de qual­i­fi­er les fais­ceaux jusqu’à une énergie de 100 keV et une puis­sance de 300 W (1 kW/cm²). Il s’agit d’un diag­nos­tic évolué appor­tant de nom­breuses infor­ma­tions sur la struc­ture du fais­ceau dont la den­sité et la dynamique des charges. L’instrument a été réal­isé 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 basé sur le principe Alli­son et une con­cep­tion éprou­vée datant de 2008 et réal­isée par l’équipe de C. Olivet­to à 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 société Pan­tech­nik. Le dernier sys­tème a été mis en ser­vice, testé à l’IPHC et dans le lab­o­ra­toire iCUBE (INSIS) en décem­bre 2020. Le tra­vail effec­tué sur ce dernier mod­èle a per­mis à l’équipe de révis­er les four­nisseurs et réduire les coûts (sourc­ing), ain­si que de réalis­er des études com­plé­men­taires de manière à mieux maitris­er les lim­i­ta­tions du sys­tème.

En jan­vi­er 2021, il a été instal­lé sur le cyclotron d’ARRONAX et a suivi une cam­pagne de mesure de plusieurs semaines jusqu’en avril. Cette pre­mière cam­pagne réussie fait par­tie d’un pro­gramme de l’IPHC appelé A4 qui vise à exploiter l’émit­tance-mètre et car­ac­téris­er cette année les fais­ceaux sur ARRONAX (Sub­at­e­ch), AIFIRA (CENBG), ARIBE (CIMAP/GANIL) et ALTO (IJCLab). L’instrument est désor­mais mis à la dis­po­si­tion de la com­mu­nauté en asso­ci­a­tion avec le Réseau Instru­men­tion Fais­ceau de l’IN2P3. Cette action struc­turante vise à partager un out­il mais égale­ment les con­nais­sances issues des expéri­ences réal­isées.

 

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 (SRIM®)
  • 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 à faible perte en réal­isant des mesures d’émittance dif­féren­tielles. Revient à car­ac­téris­er le halo jusqu’aux plus faibles inten­sités mesurables, donc à observ­er la sig­na­ture lais­sée par les défauts du mod­ule sur les couch­es périphériques du fais­ceau lors de son pas­sage dans une struc­ture de focal­i­sa­tion quadripo­laire
(sep­tem­bre 2021)
IPHC : Mon­tage de l’EmitM sur un banc pour car­ac­téri­sa­tion d’une source de type canon à ions cesium (Heat­Wave Labs, Inc). Obser­va­tion du fais­ceau focal­isé 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 à den­sité d’ions non homogènes (avril 2021)

CENBG :

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

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

A venir​

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

Perspectives​

L’expérience du passé com­plétée de celle des dernières cam­pagnes de mesure nous amè­nent à imag­in­er une solu­tion future plus per­for­mante et plus adap­tée aux exi­gences des nou­veaux fais­ceaux. L’instrument actuel repose sur des solu­tions tech­niques clas­siques et éprou­vées mais n’intègre pas de solu­tions inno­vantes dans le domaine de l’impression addi­tive, des logi­ciels ouverts ou de l’intelligence arti­fi­cielle par exem­ple. Il présente des incon­vénients en ter­mes de flex­i­bil­ité (adap­ta­tion pour appli­ca­tions spé­ci­fiques), disponi­bil­ité, logis­tique, et radio­pro­tec­tion (con­traintes de cal­en­dri­er, de coût et de trans­port entre sites). Par ailleurs, la solu­tion indus­trielle, bien que séduisante a pri­ori, présente un coût à l’achat élevé, et mon­tre des lim­ites au niveau des per­for­mances (pré­ci­sion de mesure) et de la flex­i­bil­ité dans le cas d’applications spé­ci­fiques. L’idée serait d’innover non seule­ment au niveau tech­nologique et sci­en­tifique, mais égale­ment économique et struc­turel. Les lab­o­ra­toires béné­ficieraient de la tech­nolo­gie et des con­nais­sances pour implé­menter et dévelop­per les mesures d’émit­tance à leur gré et à coûts réduits (mise à dis­po­si­tion des plans et partage des expéri­ences au sein du RIF).