Etude d'une source ECR d'ions H- pour accélérateurs de forte puissance

ECR H- ion source study for the injection into high power accelerators

• Auteur / Autrice : Karim Benmeziane
• Direction : Gérard Gousset
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés libres

Source micro-onde

Pic-mcc

Interaction plasmas

Etats vibrationnels

Injection d'électrons

Résumé

Après une revue des différentes sources d'ions H-ainsi que des méthodes permettant l'amélioration de leur production, la première parti de cette thèse est consacrée à l'étude et la caractérisation de la source ECR. Nous tentons d'expliquer les raisons du faible courant d'ions H-produit par cette source (5 [mu]A). La principale raison est le fort couplage entre les électrons et l'onde HF conduisant à un chauffage donc à une énergie électronique trop importante. A l'issue de ce diagnostic, il a été décidé d'utiliser la source ECR comme source primaire d'électrons destinés à être injectés dans une seconde enceinte. Deux études théorique (PIC-MCC 2D-fluide) et expérimentale sont alors effectuées sur le développement de cette source '' hybride ''. Le code de calcul aide à la compréhension des phénomènes physiques se produisant dans la source. Une énergie d'injection optimale à 40 eV ainsi qu'une distance d'interaction efficace des électrons avec le plasma d'environ 3 cm ont notamment été mises en évidence. Sachant qu'il est très difficile de transporter un faisceau intense d'électrons de faible énergie, nous avons choisi de séparer la chambre plasma par une grille polarisable. Une vérification expérimentale d'une distance efficace comprise entre 2 et 3 cm a été faite ainsi qu'une nette amélioration du courant extrait. Certaines des méthodes supposées accroître les performances de la source ont été essayées avec plus ou moins de succès, d'autres ont volontairement été mises de coté. Au bout du compte, le courant d'ions H- a gagné un facteur 300 depuis la mesure des premiers ions négatifs; il est passé de 5 [mu]A à 1,4 mA. La source offre ainsi un fort potentiel d'évolution.

After a review on the H- ion source and methods allowing the enhancement of their production, the first part of this thesis is dedicated to the ECR ion source diagnostic. We explain the reason why the H- current is so low with such sources (5[mu]A). It is manly due high energy electrons created by a very efficient coupling between the microwave and the electrons. So, it has been decided to use the ECR ion source not as an H- ion source but as an electron provider to inject into a separated chamber. Theoretical and experimental investigations have been done. Then, a hybrid PIC 2D MCC 3D fluid code has been developed. Its aim is to study the effect of an electron injection into a cylindrical gas chamber. Many results have been brought as well as the best injected energy and the electron penetration length efficiency. Thus, an injection of 40 eV electron beam in a length of 3 cm seems to be the most efficiency. This last point has been observed in the experiment which consists in the installation of a polarized grid in the plasma chamber to obtain the two separated chamber. Some methods supposed to increase the source performance have been tried and some have been blown out. Finally an enhancement of a factor 300 has been observed since all modifications. The H- ion current is now higher than 1,4 mA and a high potential of improvement is expected in the future for this new type of source.