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2011 - 2012

Le PROJET ANDROMEDE

L’instrument ANDROMEDE est constitué de plusieurs entités : l’accélérateur de type Van de Graaf de 4 MV avec ses lignes de faisceau permettant de focaliser aussi bien les faisceaux de nanoparticules que les ions atomiques. Le point innovant au niveau de l’accélérateur est constitué par les sources qui sont placées au terminal de l’accélérateur. En effet, trois types de sources seront utilisées pour couvrir toutes les possibilités des ions atomiques du proton à l’or en passant par les petits agrégats et molécules comme les fullerènes jusqu’aux nanoparticules et pourquoi pas microparticules.

a. Sources d’ions

La première source est la source ECR (Electron Cyclotron Resonance) qui devient une source utilisée sur les accélérateurs électrostatiques. Cette source fournira les ions atomiques gazeux du proton au Xénon et grâce à un four d’autres éléments pourront être accélérés, mais l’intérêt c’est le développement que nous avons effectué à l’IPNO sur le dispositif TANCREDE (figure 1),

Figure 1 : Dispositif Tancrède

qui a permis d’étendre ces possibilités vers les ions moléculaires multichargés grâce à la source MICROGAN de Pantechnik. Ainsi des centaines de nano-ampères de fullerènes multichargés (C601+,2+,3+) (figure 2) peuvent être obtenues.

Figure 2 : spectre des ions de fullerènes extraits de la source Microgan avec un puits magnétique faible.

La seconde source est de type LMIS (Liquid Metal Ion Source) qui est bien connue au laboratoire car elle a été installée au terminal de l’accélérateur TANDEM du pole ALTO pour produire des faisceaux d’agrégats métalliques de plusieurs dizaines de MeV dans le cadre d’ORION. Pour Andromède cette source sera fournie par OrsayPhysics, une entreprise experte en colonne FIB (Focused Ion Beam) de dimension nanométrique. Des expériences conjointes ont permis d’obtenir les mêmes performances que les sources développées à l’IPNOrsay dans le cas de Nano-gouttelettes d’or. Un cahier des charges a été soumis à cette entreprise pour la réalisation d’une colonne adaptable sur un accélérateur. Cette source sera notre base de Développement des sources NAPIS (NAnoParticle Ion Source) qui nous permettra d’obtenir un grand nombre de nouvelles nanoparticules qui pourront être composées de plusieurs éléments dont des oxydes. La source sera livrée en janvier 2013 pour effectuer les tests sur les caractéristiques des faisceaux aux différentes énergies qui seront utilisées dans le projet : à haute énergie de 30 qkeV pour l’injection directe dans l’accélérateur et après décélération à 1 ou 2 qkeV pour une injection dans l’ECR Microgan ce qui constituera le troisième ensemble qui sera installé dans le terminal de l’accélérateur au cours due la première année de fonctionnement. L’optique de la colonne calculée par Bernard Rasser d’OrsayPhysics permettra avec le même ensemble de lentilles d’obtenir les caractéristiques de faisceau demandées comme le montrent les deux simulations présentées sur la figure 3 qui tiennent compte des énergies initiales des ions qui sont différentes pour les ions atomique et petits clusters et les nanoparticules produits à une certaine distance de la pointe d’où un déficit en énergie d’une centaine d’eV. Dans le cas de l’énergie de 30 keV tous les ions sont injectés dans l’accélérateur avec un diamètre de faisceau réduit à 250 µm . Dans le cas de la décélération à 1 keV, les ajustements de la ligne optique sont différents pour l’injection des nanoparticules et des petits agrégats et des ions atomiques, c’est le réglage présenté sur la figure 3b. En effet, nous voyons les trajectoires correspondantes aux nanoparticules en vert avec un déficit en énergie de 100 eV qui sont bien focalisées, alors que les petits agrégats et surtout les ions atomiques en rouge avec un faible déficit de quelques eV qui sont totalement défocalisés.

Figure 3 : simulation de la colonne ionique de NAPIS pour 30 qkeV (a) et 1 qkeV (b)

La validité des choix techniques a été validée sur une source COBRA X d’OrsayPhysics, les modifications apportées ont permis d’obtenir les mêmes intensités de faisceaux de nanoparticules d’or que celles obtenues avec la source développée au laboratoire comme le montre la figure 4 ci-dessous.

Figure 4 : Spectre de masse des ions extraits de la colonne COBRA X

Le couplage des deux sources NAPIS-ECR permet d’augmenter la charge des ions extraits de la source NAPIS, nous serons dans une structure bien connue de la physique nucléaire des sources 1+ - n+ dans notre cas l’objectif est d’augmenter la charge des nanoparticules ou molécules que nous allons produire avec NAPIS. Il faut noter que ce couplage permettra d’avoir accès à un booster de charge pour les ions atomiques métalliques fournis par la LMIS.

Le but principal est d’élargir la gamme des faisceaux de NP avec NAPIS. Cette nouvelle source est basée sur le concept des LMIS mais en utilisant un liquide organique ionique au lieu du métal fondu obtenu par fusion. Le concept est semblable à celui de la source d’ions liquide ionique (ILIS). Les deux sources produisent des faisceaux ioniques des dizaines de nano-ampères avec une excellente brillance. Dans le cas de NAPIS nous employons du polyéthylène glycol (PEG), avec un poids moléculaire s’étendant de 600 à 6000 Daltons. Une gamme importante de NPs métalliques peut être dissoute dans ce type de polymère. Les premières sources utilisant cette approche ont été réalisées et ont fourni leurs premiers faisceaux en mai-juin. La deuxième étape sera d’injecter ce faisceau d’ions dans l’ECR pour accroître la charge par interaction avec un plasma d’hydrogène ou d’hélium comme cela a été réalisé dans le cas des fullerènes. Le couplage des deux sources a été étudiés et sera testé sur le dispositif TANCREDE l’ensemble mécanique supportant les deux sources est le prototype du montage prévu pour l’accélérateur. Ce montage constitué de deux tables roulantes permet un déplacement indépendant des deux sources, leur couplage mais aussi leur retrait tout en conservant les conditions d’alignement compatibles avec les conditions d’injection dans l’accélérateur. Ce dispositif permettra d’avoir les trois configurations sur l’accélérateur NAPIS /LMIS seul, ECR seul et le couplage ECR-NAPIS.

b. L’IGLEX

L’accélérateur sera fourni par l’entreprise NEC sa structure est présentée sur la figure 5 :

Figure 5 : Schéma d’Andromède proposé par NEC

La cuve est dimensionnée pour recevoir les trois types de sources précédemment présentées pour le projet. La réception de l’ensemble accélérateur s’effectuera à partir de fin décembre 2014. Il comportera deux Pelletrons pour fournir la puissance suffisante au fonctionnement de la source ECR devant délivrer des faisceaux d’Hélium mono-chargé de 200 µA. Le dimensionnement de la cuve et du terminal permet le fonctionnement des deux sources indépendantes avec lesquels il sera fourni, il permettra l’installation du couplage NAPIS-ECR après la période de R&D qui débutera courant 2013. Les sources sont livrées avec leurs lentilles de focalisation et chacune avec une sélection en masse de type filtre de Wien ce qui permet de n’injecter que l’ion désiré. L’accélérateur est livré avec les lentilles de focalisation et il incorporera un aimant d’analyse identique à celui utilisé auprès du Tandem 15 MV de l’IPNO, qui provient de Strasbourg et qui a été attribué à ANDROMEDE par l’IPNO. Il y a aura trois lignes de faisceaux sont prévus. Une ligne sera quasiment dans l’axe de l’accélérateur pour les ions agrégats et nanoparticules très légèrement déviés pour effectuer un tri entre les ions intacts et les ions fragmentés pendant l’accélération. Cette ligne comporte un triplet électrostatique permettant la focalisation sur la cible. Il y aura une ligne à 70° pour les futurs développements d’analyses de type IBA (Ion Beam Analysis) : µPIXE, µ PIGE, µRBS, MeV-SIMS.

En enfin la ligne à 90 ° pour les expériences d’astrophysique nucléaire.

L’installation de cet ensemble dans l’IGLOO (bâtiment 209) est étudiée conjointement avec le LAL qui y installera le deuxième EQUIPEX de la Vallée : ThomX. L’étude a débuté en mars 2012, une première disposition des deux équipements a été proposée et l’appel d’offres pour la maîtrise d’œuvre est en cours de rédaction entre les deux laboratoires. Les figures 7-8 suivantes montrent une vue de la disposition des deux équipements ThomX et Andromède dans leurs casemates ce qui permet d’avoir une zone surveillée pour des interventions aisées tout en conservant le fonctionnement indépendant des deux accélérateurs.

Figure 7 : l’IGLEX, à gauche Andromède dans sa casemate assurant son confinement, à droite ThomX avec sa casemate et son aire expérimental.

Figure 8 : Andromède et ses deux lignes de faisceaux agrégats et astrophysique nucléaire





 

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