Etude et développement d'un refroidisseur radiofréquence à gaz tampon pour des faisceaux radioactifs de très hautes intensités

The low energy facility DESIR/SPIRAL2 is a second generation installation of radioactive beams. The flows of radioactive ions will require purification at isobaric level of the isotopes. This separation will be made by a high resolution separator (HRS) developed at CENBG. To have the nominal performance the HRS requires a low émittance beam. The only universal technique which can lead to a low émittance beam is the RFQ Cooler with buffer gas. The goal of this Cooler is to reduce the beam émittance to less than 1 π.mm.mrad and the longitudinal spread energy about 1 eV, using the very high intensity beams (i≈1µA). Therefore, the space charge effect is significant to cooling beam degradation. The compensation of this effect requires the high RF voltage and high frequency respectively a few kV and a few MHz. The latter points are what distinguish this Cooler with those who are existing. The RFQ Cooler prototype examined in this thesis, commonly called "SHIRaC". It was developed so as to transmit at least 60% of ions at very high intensity. The numerical simulations related to the definition of SHIRaC led to find the operating parameters in terms of pressure RFQ, the guiding field and the electrodes voltage of injection and extractions cells. They also allowed choosing and optimizing an electrostatic extraction triplet which adapts the cooling beam to the HRS. At an intensity of 1µA, the optimum cooling results of 133Cs+ ions are variants: either minimum longitudinal spread energy of 1.15 eV for a transmission of 21 % or longitudinal spread energy of 4.67 eV for a transmission of 60 %. The émittance is about 2.2 π.mm.mrad. The degradation of longitudinal spread energy is due to contribution of space charge and longitudinal effects. Outside the RFQ, when these two effects act, only the reduction of the second effect is possible. To achieve this reduction we had replace the three electrodes lens of extraction cell by a two electrodes lens. Through the use of this new lens the longitudinal spread energy is reduced of few percents: longitudinal spread energy corresponding to a transmission of 60 % has been reduced to 3.85 eV. However, his minimum was slightly reduced to 1.08 eV and the corresponding transmission was increase to 26 %. The émittance is below of 2 π.mm.mrad. The SPIRAL 2 available beams are intense and radioactive. Thus, it will be indispensable to consider the nuclearization effect on the RFQ Cooler environment. His reduction requires the confinement of nuclear matter inside the RFQ room.L'installation DESIR/SPIRAL2 est une installation de faisceaux radioactifs de faible énergie et de seconde génération. Les flux d'ions radioactifs produits nécessiteront une purification isobariques des isotopes. Cette séparation sera faite par un séparateur de très haute résolution (HRS) développé au Centre d'Etudes Nucléaire de Bordeaux Gradignan, CENBG. Pour avoir des performances nominales le HRS requiert des faisceaux de faible émittance. La seule technique universelle qui peut aboutir à un faisceau de faible émittance est le refroidisseur radiofréquence à gaz tampon, le RFQ Cooler. Le but du RFQ Cooler est de réduire l'émittance du faisceau à moins de 1 π.mm.mrad ainsi que la dispersion longitudinale en énergie d'environ 1 eV, en utilisant des faisceaux de hautes intensités (i≈1µA). De ce fait, l'effet de la charge d'espace est considérable à la dégradation du faisceau refroidit. La compensation de cet effet exige des tensions RF et des fréquences élevées, respectivement quelques kilovolts et de quelques mégahertz. Ces derniers points différencient ce Cooler avec ceux qui existent. Le prototype du RFQ Cooler examiné pendant cette thèse, communément appelée " SHIRaC". Il a été développé de façon à transmettre au moins 60 % des ions à haute intensité. Les simulations numériques liées à la définition du SHIRaC ont conduit à trouver les paramètres de fonctionnement en termes de la pression, le champ de guidage et les tensions de polarisation des électrodes de la cellule d'injection et d'extraction. Elles ont permis également de choisir et optimiser un triplet électrostatique d'extraction pour adapter le faisceau refroidit et extrait du SHIRaC au HRS. A 1µA, les résultats optimums de refroidissement des ions 133Cs+ sont variants : soit une dispersion en énergie minimale de 1.15 eV pour une transmission de 21 % soit une dispersion en énergie de 4.67 eV pour une transmission de 60 %. L'émittance est d'environ 2.2 π.mm.mrad. La dégradation de la dispersion en énergie est due à la contribution de l'effet de la charge d'espace et du champ longitudinal. En dehors du RFQ, où les deux effets dégradent la dispersion en énergie. Pour achever la réduction de deuxième effet, nous avons remplacé la lentille à trois électrodes de la cellule d'extraction par une à deux électrodes. En se servant de cette nouvelle lentille les dispersions en énergie se sont réduites de quelques pourcents : La dispersion en énergie correspondant à une transmission de 60 % a été réduite à 3.85 eV. Cependant, la dispersion en énergie minimale a été légèrement diminuée à 1.08 eV mais avec une augmentation de la transmission à 26 %. L'émittance est en dessous de 2 π.mm.mrad. Les faisceaux disponibles au SPIRAL 2 sont intensifs et radioactifs. Ainsi, il serait indispensable de considérer l'effet de la nucléarisation sur l'environnement pour le RFQ Cooler SPIRAL2/DESIR. La réduction de cet effet exige le confinement de la matière nucléaire au sein de la chambre du RFQ