Βeam optics transport and fundamental processes involving a charge breeder in the upgraded SΡΙRΑL1 facility
Transport de faisceaux d'ions à basse énergie et processus fondamentaux impliquant un booster de charge disposé dans l'installation SPIRAL1
Résumé
The thesis describes with a great deal of details the efforts done to understand the
physical processes inside the SPIRAL1 ECR charge breeder. This device accepts the
mono-charged ion beams of different masses and charge bred them to higher charge
states. In the framework of the SPIRAL1 upgrade, the R&D of charge breeding technique
is of primary interest for optimizing the yields of radioactive ion beams (RIBs).
In this context, the thesis begins with a theoretical discussion dealing with the different
Target Ion Sources (TIS) at upgraded SPIRAL1 facility, Low Energy Beam
Transport system and fundamentals of plasma physics relevant for the production
of highly charged ions in ECR ion source plasmas. This is followed by description of
the technological issues affecting the 1+/N+ charge breeding technique. In the final
chapter, the effect of axial magnetic field gradient, position of deceleration tube and
1+ beam emittance were studied to understand their influence on the performance
of the SP1 CB (charge breeding efficiency). The optimization of axial magnetic field
gradient shows that the charge breeding efficiency is strongly influenced by the variation
of the two soft iron rings positions around the permanent magnet hexapole.
It has been deduced from the observations that the charge breeding efficiency improves
when the emittance of 1+ beam is smaller and the position of deceleration
tube is close to the entrance of SP1 CB. At the same time, the charge breeding times
of K charge states (1+,2+,4+ and 9+) were estimated by pulsing the injected K1+
beam. The results from these investigations revealed the optimum SP1 CB tuning
parameters that can minimize the value of charge breeding time and maximize the
charge breeding efficiency of the high charge states of K.
In order to investigate the 1+ ion beam transport (shooting through mode) through
the SP1 ECR charge breeder and the fundamental physical mechanisms involved
in charge breeding process, several experiments were carried out in the framework
of this thesis (the interaction of 1+ ion beam of different masses (Na+ and K+) in
different background plasma species (He and O2)). The data from these experiments
(potentials, emittance of 1+ beam, deceleration tube position, magnetic field
and pressures) were collected and given as inputs to the numerical simulation tools
(SIMION, TraceWin and MCBC). The simulations were performed in three steps: i)
simulation of the 1+ beam transmission through the breeder to verify the ion losses
and showed good agreement with the experimental results. ii) Simulation of 1+
beam transmission through a potential map that reflects the presence of the ECR
plasma (without collisions) and reproduced the DV curves of 1+ and 2+. It also revealed
the role of Coulomb collisions in the charge breeding process leading to a
necessary detailed analysis using Monte-Carlo Charge Breeding code (MCBC). iii)
MCBC models Coulomb collisions of the injected 1+ ion beam in an ECR plasma
and atomic processes which includes ionization and charge exchange. Finally, the
code can reproduce the low charge state (1+ and 2+) experimental trends by a novel
simulation strategy that has been developed to estimate the plasma parameters from
charge breeding simulations. Finally, Simulations demonstrated that the ion temperature,
the plasma density and 1+ ion beam quality as critical parameters influencing
the 1+ ion capture and the reasons for the difference in charge breeding efficiencies
between Naq+ (in Helium plasma) and Kq+ (in Helium and Oxygen plasma) species
were discussed.
La thèse décrit avec beaucoup de détails les efforts déployés pour comprendre les
processus physiques à l’intérieur du Booster de Charge SPIRAL1 (SP1 CB). Cet appareil
accepte les faisceaux d’ions mono-chargés de différentes masses et augmente
leur charge vers des états plus élevés. Dans le cadre de la mise à niveau de SPIRAL1,
la R&D autour de la technique 1+/N+ présente un intérêt primordial pour optimiser
les rendements des faisceaux d’ions radioactifs (RIB). Dans ce contexte, la thèse commence
par une présentation théorique des ensembles cible-source de l’installations
SPIRAL1, de la ligne de transport de faisceaux à basse énergie et des principes de la
physique des plasmas pour la production d’ions fortement chargés dans les plasmas
de source d’ions RCE (Résonance Cyclotronique Electronique). Ensuite, il y a une
description des enjeux technologiques concernant la technique d’augmentation de
charge 1+/ N+. Dans le chapitre suivant, les effets du gradient de champ magnétique
axial, de la position du tube de décélération et de l’émittance du faisceau1+
ont été étudiés pour comprendre leur influence sur les performances du SP1 CB
(efficacité de la transformation). L’optimisation du gradient de champ magnétique
axial montre que l’efficacité du processus est fortement influencée par la position
des deux anneaux en fer doux autour de l’hexapole. Il a été également déduit des
observations que l’efficacité de la transformation s’améliore lorsque l’émittance du
faisceau 1+ est faible et que la position du tube de décélération est proche de l’entrée
du SP1 CB. En parallèle, les temps de la transformation 1+/N+ pour le potassium (1
+, 2+, 4 + et 9+) ont été mesurés en pulsant le faisceau de K1+ injecté. Les résultats
de cette campagne expérimentale ont permis d’extraire les paramètres de réglage
optimaux du SP1 CB qui permettent de minimiser la valeur du temps de la transformation
tout en maximisant son efficacité.
Afin d’étudier le transport du faisceau d’ions 1+ à travers le SP1 CB et les mécanismes
physiques fondamentaux impliqués dans le processus d’augmentation de
charges, plusieurs expériences ont été menées dans le cadre de cette thèse : interaction
de faisceaux d’ions 1+ de différentes masses (Na+ et K+) dans deux plasmas
RCE fait d’He et d’O2. Les données de ces expériences (potentiels, émittance du
faisceau 1+, position du tube de décélération, champ magnétique et pressions) ont
été collectées et utilisées en tant que données d’entrée dans les outils de simulations
numériques suivants :SIMION 3D, TraceWin et MCBC. Les simulations ont été effectuées
en trois étapes: i) simulation de la transmission du faisceau 1+ à travers
le SP1 CB pour chercher les lieux des pertes des ions, elle a montré un bon accord
avec les résultats expérimentaux. ii) simulation de la transmission du faisceau1+ à
travers une carte de potentiel reflétant la présence du plasma RCE (sans collisions)
; ça a permis de reproduire les courbes DV pour les états de charge 1+ et 2+. Elle a
également révélé le rôle important joué par les collisions coulombiennes dans le processus
d’augmentation de charge, concluant à une analyse plus détaillée nécessaire
à l’aide d’un code type Monte-Carlo (MCBC). iii) Code MCBC incluant les collisions
coulombiennes du faisceau d’ions 1+ injecté dans un plasma RCE et les processus
atomiques incluant l’ionisation simple et l’échange de charge. Le modèle peut reproduire
les courbes expérimentales impliquant les faibles états de charge (1+ et
2+) en faisant varier chaque paramètre du plasma (densité électronique et ionique,
température des ions et température des électrons) de manière indépendante. Une
nouvelle stratégie de simulation a été développée pour estimer les paramètres du
plasma à partir de ce code et des comparaisons avec les mesures expérimentales.
Le résultat de ces simulations a démontré que la température des ions, la densité du plasma et la qualité du faisceau d’ions 1+ sont les paramètres critiques influant fortement
sur la capture des ions 1+ et ils expliquent les différentes efficacités mesurées
de la transformation 1+/N+ des Naq+ et Kq+ dans le SP1 CB.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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