Situation :

Le dispositif SPIRAL a pour objet la production d’un faisceau d’ions radioactifs en irradiant un Ensemble Cible-Source par un faisceau stable de haute énergie.

Le GANIL est une installation soumise à autorisation et le mode d’irradiation des cibles est réglementé. Actuellement l’irradiation de ces cibles est limitée par un critère de sûreté de 15 jours indépendamment du faisceau irradiant (de son type, de sa puissance, de sa disponibilité).

Projet :

Une demande de modification de ce critère a été formulée auprès des autorités de sûreté : le nouveau critère serait que le nombre total d’ions reçus par la cible (fluence) ne doit pas dépasser un certain seuil, fonction du risque radiologique.

Afin de contrôler ce nouveau critère, le projet CICS (Contrôle de l’Irradiation de la Cible de SPIRAL) a été lancé : il s’agit de mettre en oeuvre un système de mesure et de contrôle fiable de l’intensité du faisceau qui permette de connaître à tout instant l’intensité instantanée et intégrée du faisceau pour chaque cible. L’intensité du faisceau étant l’image du nombre d’ions par seconde.

Contrôle de l’Irradiation de la Cible de Spira1-I Projet CICS

P.Anger, C.Doutressoulles, M.Ozille, JF.Rozé, JC.Deroy, B.Jacquot, M.Dubois, S.Faure, F.Bucaille, C.Mauger Grand Accélérateur National d’Ions Lourds (GANIL), Caen, France

e-mail : anger@ganil.fr

SFPJournées accélérateurs

ROSCOFF 2005

Résumé : Le projet CICS doit permettre à terme, en contrôlant un nouveau critère de sûreté, d’optimiser la planification des expériences avec l’installation Spiral1 ainsi que les coûts d’exploitation du dispositif. Ce nouveau critère est la fluence maximale (nombre maximal d’ions du faisceau incident reçus par l’Ensemble Cible Source de Spiral). Pour contrôler ce critère, un système développé en assurance qualité a été mis en place et notamment une instrumentation afin de mesurer l’intensité du

1. Introduction

Faisceau Primaire

Cible

Ensemble Cible Source

ECS : Ensemble cible - source

Faisceau d’ions

exotiques (méthode

ISOL)

Cible :

Deux capteurs permettent de mesurer l’intensité du faisceau primaire irradiant l’ECS (Ensemble Cible source de l’installation SPIRAL) en restituant un signal électrique fonction de l’intensité.

Une chaîne de mesure dédiée traite le signal de chaque capteur afin qu’ils puissent être numérisés par un système informatique.

Ce système informatique dédié et autonome pourra tester l’ensemble des deux instrumentations et gérer les dysfonctionnements.

Par l’intermédiaire d’une interface utilisateur, le système informatique reçoit les informations nécessaires (type du faisceau primaire, identification de l’ECS et le nombre maximal autorisé d’ions incidents) afin qu’il puisse mesurer l’intensité du faisceau, calculer le nombre de particules par seconde et intégrer le nombre d’ions projetés sur la cible.

Deux supports d’archivage fiables et permanents mémorisent les données essentielles de l’irradiation de chaque ECS.

Deux moyens de coupure du faisceau lors d’un dysfonctionnement ou lorsque la cible a reçu le nombre d’ions maximal autorisé (nouveau critère de sûreté).

2. Description du système

La mesure de l’intensité s’effectue par la mesure du champ magnétique généré par le faisceau pulsé (fig.1) en utilisant un transformateur d’intensité haute fréquence de 10 spires (FCT).

Le transformateur d’intensité (fig.2) fournit un signal image de l’intensité du faisceau à une chaîne de traitement.

L’amplitude de la seconde harmonique du signal est détectée par un amplificateur à verrouillage de phase. Cet amplificateur à verrouillage de phase (détection synchrone) est un modèle “SR844” de la société Stanford Research Systems (fig.3).

La valeur moyenne de l’intensité est calculée par la relation des séries de Fourier entre l’amplitude de l’harmonique 2 et la valeur moyenne (fig.1):

Cette chaîne de mesure est doublée (fig.4) afin d’assurer une redondance active et de fiabiliser la mesure de l’intensité du faisceau.

Le coefficient de dispersion (D) est calculé et doit être inférieur à une valeur maximale :

Les chaînes de mesure sont qualifiées afin de connaître l’incertitude globale de la mesure et de majorer par traitement logiciel l’intensité calculée :

La gamme de mesure de l’intensité est de 10nA à 50µA.

Une spire supplémentaire a été intégrée dans le transformateur afin de tester la chaîne de mesure (fig.5) : l’injection d’un signal sinusoïdale de fréquence 2F permet de tester la disponibilité de l’équipement.

3. Principe de mesure de l’intensité du faisceau

Fig.3 : Détecteur d’amplitude “SR844”

Test B

Test A

Faisceau

Mesure de I traitée Configuration & Etat Appareil de Mesure

A

B

Commandes & Etats des Tests

Détection d’amplitude A

Filtrage PB 30 MHz

Détection d’amplitude B

Filtrage PB 30 MHz

Signal RF Référence

G1 A

Casemate des accélérateurs

Galerie d’instrumentation

G1 B

G

IF

IS

Adaptation du niveau

Mesure de I traitée Configuration & Etat Appareil de Mesure

Figure 5 : Synoptique de l’instrumentation

Génération du signal de

test

F

1

2

)4(1

)2cos(2

2

2

20

a

F

F

aa

si

4. Intégration mécanique

Figure 8 :  Plans mécaniques

Figure 7 : Assemblage mécanique des 2 capteurs

L’ensemble est installé dans la ligne de faisceau L4 quelques mètres avant la cible de Spiral (fig.6).

5. Description du système informatique

Figure 11 : Contrôleur Compact Fieldpoint

Entrées et sorties

analogiquesEntrées et sorties

TOR

CPU Autonome

Liaison Ethernet

Mémoire Compact-

Flash

Liaisons RS232

Figure 12 :  Interface Utilisateurs

Figure 14 :  Banc de test avec chambre climatiqueFigure 13 :  Ligne coaxiale de test pour FCT

Un contrôleur industriel temps réel de type Compact Fieldpoint (fig.11) de la société National Instruments

Autonome : il comporte son propre système d’exploitation embarqué et est programmé en Labview

Calcule l’intensité du faisceau détectée et la fluence des particules

Coupe le faisceau avec des blocs arrêt-faisceau lors d’un dépassement de seuil ou d’un dysfonctionnement

Archive l’historique de l’irradiation sur une mémoire locale et à distance sur un PC utilisateur

Possède une interface homme-machine afin de configurer le système et informer les utilisateurs (fig.12).

Les deux capteurs sont intégrés dans un ensemble mécanique placé dans une chambre à vide.

6.  Assurance Qualité L’étude, la réalisation et l’exploitation de ce système doivent répondre à des exigences de qualité afin de contrôler le nouveau critère de sûreté.

La véracité de la mesure de l’intensité, la gestion des défaillances et la fiabilité de l’ensemble ont été traités dès la conception. (l’incertitude de la chaîne de mesure sera traitée quelle que soit la fréquence du faisceau, la longueur spatiale des paquets, la température de fonctionnement des sous-ensembles et quels que soient les modules ou leurs rechanges installés )

Pour calculer l’incertitude de chaque sous-ensemble, une ligne coaxiale de test a été utilisé (fig.13) et un banc de test avec une chambre climatique régulée a été développé (fig.14).

Ce système mécanique est soumis à une pression de 10-6Pa, il a un taux de fuite meilleur que 10-10Pa.m3/s pour He. (fig.7, fig.8)

7. Conclusion Ce projet est en fin de réalisation (attente des autorisations de mises en service). Il permettra de mieux gérer l’irradiation des cibles en baissant le nombre d’Ensemble Cible Source utilisés chaque année

Il permettra, aussi, d’exploiter en assurance qualité un système de mesure qui garantit une incertitude absolue de la mesure.

Traitement B

Système informatique

Interface utilisateurs

Archivage (x2)

Faisceau

Identification de l’ECS

Utilisateurs

Coupure faisceau (x2)

E.C.S.TestTest

Capteurs de l’intensité du faisceau (non interceptif)

Schèma fonctionnel :

Traitement A

Test Test

•Type de faisceau (A, Z, Q, E, F)

•Critère de sûreté (NB d’ions max.)

•Informations

•Alarmes

Installation SPIRAL-I

Cyclotrons accélérateurs

Aires d’expériences

Plan du GANIL

Figure 6 : Plan de la ligne de transport

Intégration mécanique Coupure de faisceau

faisceau, calculer le nombre de particules par seconde et l’intégrer dans le temps. Cette instrumentation est composée de deux chaînes de mesures redondantes dont l’acquisition est réalisée via un contrôleur industriel temps réel. L‘incertitude de mesure enveloppe a été chiffrée quelles que soient les variations de la longueur spatiale des paquets de faisceau, quelle que soit la fréquence du faisceau, la température, les modules installés ou leur rechange.

Installation SPIRAL

vers les aires d’expériencesFaisceau primaire

Faisceau d’ions

exotique

Plan des accélérateurs du GANIL

IS = IFaisceau /Nombre de spires

RT

V

(Secondaire)

IFaisceau (Primaire)

IS

Figure 2 :Transformateur torique

Figure 4 : Transformateurs d’intensité Haute FréquenceBERGOZ FCT-082-10:1-WB

1 paquet

< T/30Imoy

Z

Y

X

t

Caractéristique du faisceau dans le

domaine spatial :

Caractéristique de l’intensité du faisceau

dans le domaine temporel:

0 F 2F 3F 4F 5F 6F 7F …… nF f

Caractéristique de l’intensité du faisceau

dans le domaine fréquentiel:

Mesure de l’amplitude de la 2nd harmonique

O

s(f)

Figure 1 : Caractéristique du faisceau irradiant la cible de Spiral  :

I(t)

0 T = 1 / Fmachine max)()(

)()(2D

tItI

tItID

BA

BA

I

tItItI IBA 1

2

)()()(