Etude par simulation du concept d'accélération ECRIPAC

Simulation study of the ECRIPAC accelerator concept

• Auteur / Autrice : Andrea Cernuschi
• Direction : Thomas Thuillier, Laurent Garrigues
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique appliquée
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique Subatomique et Cosmologie

Mots clés

Mots clés libres

Source d'ions

Simulation

Plasma

Accélérateur

Magnétisme

Plasma

Magnetism

Ion source

Simulation

Accelerator

Résumé

L'accélération directe d'ions issus d'un plasma magnétisé utilisant le mécanisme de résonance cyclotronique électronique (ECRIPAC) a été proposé en 1990 par R. Geller[1], inventeur Grenoblois des sources d'ions à la résonance cyclotronique électronique (ECR). Le concept a ensuite été validé théoriquement par P. Bertrand[2], théoricien au GANIL (Grand Accélérateur National d'Ions Lourds). Ces publications ont suscité un vif intérêt international dans la communauté des accélérateurs de particules et sources d'ions. La construction d'un démonstrateur a été envisagé en France au milieu de années 90, mais le projet n'a finalement jamais vu le jour, faute de support des tutelles. L'accélération ECRIPAC est obtenue en combinant astucieusement deux phénomènes physiques démontrés indépendamment expérimentalement. Le premier est l'effet GYRAC [3] permettant de créer dans un plasma magnétisé pulsé une population d'électrons ultra-relativistes grâce au mécanisme ECR. Le deuxième phénomène est l'effet PLEIADE[4], portant le nom de l'expérience ayant montré que lorsqu'un plasma magnétisé pulsé est extrait dans un gradient de champ magnétique d'intensité décroissante, d'une part la vitesse transverse des électrons du plasma est progressivement convertie en vitesse parallèle et d'autre part les ions du plasma, attirés électriquement par les électrons, subissent alors une accélération. Un accélérateur ECRIPAC permet théoriquement d'accélérer un paquet d'ions à des énergies pouvant atteindre des dizaines de MeV/nucléon sans laser ni cavité accélératrice. D'une conception simple et robuste, le développement d'un accélérateur ECRIPAC ouvrirait la voie à des applications en physique fondamentale (physique atomique, physique nucléaire) mais aussi des applications sociétales comme la fabrication de radio-isotopes pour la physique médicale, la stérilisation d'équipements, l'imagerie etc. L'objectif du travail de recherche de la thèse est de démontrer par simulation la validité du concept ECRIPAC. Le travail consistera à modéliser au mieux le concept ECRIPAC puis à l'étudier par simulation à l'aide d'un code plasma de type particle in cell (PIC) en 2 dimensions (problème axi-symétrique) spécifiquement adapté au besoin. Une fois le concept démontré, le doctorant s'attachera à explorer les gammes d'énergie et d'intensité de faisceaux d'ions accessibles. Enfin, cette étude paramétrique débouchera sur le dimensionnement d'un démonstrateur ECRIPAC dont la faisabilité sera validée en interne avec les experts du pole accélérateur et source d'ions. Une attention particulière à la communication sera menée pendant la thèse afin de chercher des partenaires nationaux et internationaux pour préparer dans un deuxième temps une réponse à un appel à projet dont l'objectif sera de concevoir, construire et tester en collaboration un accélérateur ECRIPAC à Grenoble, au LPSC.

The direct ions acceleration from a magnetized plasma using the electron cyclotron resonance mechanism (ECRIPAC) was proposed in 1990 by R. Geller [1], the Grenoble inventor of the electron cyclotron resonance (ECR) ion sources. The concept was next theoretically validated by P. Bertrand[2], theoretician at GANIL (Grand Accélérateur National d'Ions Lourds). These publications have aroused great international interest in the particle accelerator and ion source communities. The construction of a demonstrator was considered in France in the mid-1990s, but the project never emerged, due to a lack of support from the authorities. The ECRIPAC acceleration is obtained by cleverly combining two physical phenomena that have been independently demonstrated experimentally. The first one is the GYRAC effect [3] which allows to create in a pulsed magnetized plasma a population of ultra-relativistic electrons thanks to the ECR mechanism. The second phenomenon is the PLEIADE effect [4], named after the experiment that showed that when a pulsed magnetized plasma is extracted in a decreasing magnetic field gradient, on the one hand the transverse velocity of the plasma electrons is progressively converted into a parallel velocity and on the other hand the ions of the plasma, electrically attracted by the electrons, undergo an acceleration. An ECRIPAC accelerator can theoretically accelerate a bunch of ions to energies of up to tens of MeV/nucleon without any laser or accelerator cavity. With a simple and robust design, the development of an ECRIPAC accelerator would open the way to applications in fundamental physics (atomic physics, nuclear physics) but also societal applications such as the manufacture of radioisotopes for medical physics, sterilization of equipment, imaging, etc. The objective of the research work of the thesis is to demonstrate by simulation the validity of the ECRIPAC concept. The work will consist in modeling an ECRIPAC machine as real as possible and then studying it by simulation using a 2-dimensional particle in cell (PIC) plasma code (axi-symmetric problem), specifically adapted to the need. Once the concept is demonstrated, the PhD student will explore the energy and intensity ranges of the accessible ion beams. Finally, this parametric study will lead to the dimensioning of an ECRIPAC demonstrator whose feasibility will be validated internally with the experts of the accelerator and ion source pole. A special attention to communication will be carried out during the thesis in order to look for national and international partners to prepare in a second time a response to a project call whose objective will be to design, build and test in collaboration an ECRIPAC accelerator in Grenoble, at the LPSC.