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Theses

Βeam optics transport and fundamental processes involving a charge breeder in the upgraded SΡΙRΑL1 facility

Résumé : 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.
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http://hal.in2p3.fr/tel-02477040
Contributor : Michel Lion <>
Submitted on : Thursday, February 13, 2020 - 10:24:52 AM
Last modification on : Sunday, March 29, 2020 - 1:05:22 AM

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Arun Annaluru. Βeam optics transport and fundamental processes involving a charge breeder in the upgraded SΡΙRΑL1 facility. Accelerator Physics [physics.acc-ph]. Université Caen Normandie, 2019. English. ⟨tel-02477040v1⟩

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