Etude par la simulation et l'expérimentation de la production d'ions métalliques Calcium à l'aide d'une source d'ions du type Résonance Cyclotronique Electronique

Study by simulation and experimentation for the production of calcium metallic ions with an Electron Cyclotron Resonance Ion Source

• Auteur / Autrice : Alexandre Leduc
• Direction : Laurent Maunoury
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 06/11/2019
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Grand accélérateur national d'ions lourds (Caen)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Ban
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Maunoury, Laurent Garrigues, Luigi Celona, Nathalie Lecesne, Thomas Thuillier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurent Garrigues, Luigi Celona

Mots clés

Mots clés contrôlés

Expériences

Modélisation électromagnétique

Simulation par ordinateur

Codes particulaires

Plasmas (gaz ionisés)

Résonance cyclotronique

Ions multichargés

Sources d'ions

Mots clés libres

RCE

Résonance cyclotronique électronique

Expériences

Ion source

Ion

ECR

Electron cyclotron resonance

Plasma

Simulation

Modelization

Résumé

Dans le cadre du projet SPIRAL2, la source d'ions à la résonance cyclotronique électronique (RCE) PHOENIX V3 (amélioration par rapport à la précédente version PHOENIX V2) a été développée afin d'augmenter la production d'ions avec un A/Q=3. La source vise principalement la production d'ions métalliques. Pour cela, des atomes métalliques sont sublimés dans un four avant d'être injectés dans la source d'ions. Lors de la production de tels faisceaux d'ions, la grande majorité des atomes se fixe au niveau de la paroi de la chambre à plasma et y reste. Ces pertes mènent à une faible efficacité globale d'ionisation (de l'ordre de la dizaine de pour cent).Un code hybride PIC (Particle In Cells) a été développé pour étudier la dynamique des particules chargées et reproduire les spectres d'ions en A/Q expérimentaux produits par la source d'ions PHOENIX V3. La simulation se concentre sur la propagation des ions en trois dimensions. A l'aide de plusieurs paramètres ajustables, la simulation reproduit la distribution des états de charges à la sortie de la source d'ions. Ce code a fourni des résultats encourageants.En parallèle de l'étude par simulation de la dynamique des particules dans le plasma, un ensemble de simulations reproduisant le fonctionnement du four pour atomes métalliques a été conçu. Les simulations permettent également l'analyse de la distribution angulaire des impulsions des particules quittant le creuset du four. Les distributions angulaires fournies par les simulations sont comparées à celles obtenues grâce à des mesures expérimentales.Une étude expérimentale a également été initiée afin de réduire le temps de collage des atomes métalliques injectés sur la chambre à plasma. Pour cela, un cylindre thermorégulé a été réalisé afin de favoriser la réévaporation des particules fixées. Il est ainsi possible d'augmenter l'efficacité globale d'ionisation d'au moins un facteur 2 et de mesurer l'augmentation de l'efficacité en fonction de la température de la paroi.

In the framwork of the SPIRAL2 project, the Electron Cyclotron Resonance Ion Source PHOENIX V3 (upgrade of the previous source PHOENIX V2) has been developed to improve the production of highly charged ions with A/Q=3. The ion source mainly aims at the production of metal ion beams. For this, condensable atoms are sublimated into oven before being injected into the ion source. During the production of such ion beams, the major part of atoms travel towards the plasma chamber wall and remains there. Those losses lead to low global ionization efficiency (of the order of ten percent).An hybrid code PIC (Particle In Cells) was developed to study the dynamic of charged particles and to reproduce the experimental A/Q spectrum produced by the PHOENIX V3 ion source. The simulation focuses on the propagation of ions in 3D. Using several adjustable parameters, the simulation outcomes fit the charge state distribution at the exit of the ion source. This code has provided encouraging results.In parallel with the simulation study of particle dynamic in the plasma, a series of simulations have been run to reproduce the operation of an oven leading to the emission of metallic atoms. The outcomes of the simulations allow analysis of the angular distribution of the particles leaving the hot crucible. The angular distributions provided by the simulations are compared with those obtained through experimental measurements.An experimental study was also initiated to reduce the sticking time of the metal atoms on the plasma chamber. For this, a thermoregulated cylinder has been designed and realised to promote the re-evaporation of fixed paricles. It is thus possible to increase the global ionization efficiency by a factor 2 at least and to study the variation of the efficiency as a fonction of the cylinder temperature.