Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration industrielle avec la société Pantechnik. Elle a consisté au développement d'un nouveau banc de test dédié à la caractérisation de sources d'ions RCE fonctionnant à 2,45 GHz en vue de la production de faisceaux intenses pour des applications industrielles. Deux sources RCE avec des structures magnétiques différentes sont testées sur la ligne avec le même système d'injection HF. Une nouvelle source avec aimants permanents, présentant une extraction dipolaire (SPEED) a été conçue et testée. Une étude de l'extraction des faisceaux d'ions dans le champ magnétique dipolaire est proposée. Les premières expériences ont montré une densité de courant ionique total de ~10 mA/cm2 à 20 kV et une puissance HF de 900 W. Les tests en plasma d'hydrogène ont montré que l'espèce dominante est la molécule H2+. Des propositions sont faites pour modifier la structure magnétique de la source d'ions afin améliorer ces performances et produire principalement des ions H+. La source d'ions MONO1000 a été testée à forte puissance HF avec un système de couplage par guide d'onde. De très intenses densités de courant d'ions hydrogène ont été mesurées (~95 mA/cm2) avec une extraction de type diode et une efficacité de transport de l'ordre de 70%. Les premiers tests utilisant un système d'extraction amélioré à cinq électrodes sont présentés.

La source d'ions des injecteurs de neutres d'ITER devra produire un fort courant d'ions négatifs de deutérium qui seront accélérés puis neutralisés afin d'obtenir un faisceau d'atomes qui chauffera le plasma thermonucléaire. Un plasma froid d'hydrogène à basse pression et forte puissance est généré par induction dans la source et les ions négatifs sont produits par des réactions en volume et en surface et extraits à travers une série de grilles électrostatiques. Cette thèse est consacrée à la modélisation de ce plasma, afin d'étudier des phénomènes peu abordés à ce jour : aspect hors équilibre des espèces neutres, déplétion et chauffage du gaz, génération et transport des atomes, et génération des ions négatifs sur les parois. Un code fluide bidimensionnel de simulation plasma a pour cela été modifié afin de simuler la cinétique des espèces neutres au moyen d'un module Direct Simulation Monte-Carlo et a été utilisé pour simuler le plasma de manière auto-cohérente. / The ion source of the ITER neutral beam injectors will have to deliver a high current of negative deuterium ions which will be accelerated and neutralized, and the resulting atom beam will heat the thermonuclear plasma. A low pressure and high power cold hydrogen plasma is inductively generated in the source and negative ions are produced by volume and surface reactions and are extracted through a set of electrostatic grids. This thesis aims at modelling this plasma, and focuses on topics that haven't been studied much before : out of equilibrium neutral kinetics, gas heating and depletion, atoms production and transport, and negative ions generation on the walls. To this end, a two-dimensional fluid plasma code has been modified to simulate the neutrals kinetics with a Direct Simulation Monte Carlo module and has been used to perform self-consistent simulations of the plasma.

Le projet ANDROMEDE a pour but de créer un nouvel instrument d’imagerie ionique sub-micrométrique et d’analyse par spectrométrie de masse, en utilisant l’impact d’ions sur des nano-objets présents à la surface des échantillons solides et plus particulièrement sur les échantillons biologiques. L’étude de ces échantillons avec l’objectif d’analyse in vitro et in vivo nécessite une préparation complexe et requiert une expérimentation à la pression atmosphérique. Cet instrument unique ouvre une nouvelle voie dans l’analyse de surfaces, complémentaire aux méthodes utilisées de nos jours.Au sein du projet ANDROMEDE, deux éléments ont été développés dans le cadre de notre étude. La source NAPIS qui délivre les nanoparticules permettant d’augmenter le rendement d’éjection des ions secondaires, et le spectromètre de masse PSI-TOF pour l’analyse chimique des éléments émis depuis la surface de l’échantillon.Le faisceau primaire de nanoparticules de la source NAPIS est accéléré dans un accélérateur de type Pelletron 4MeV et amené sur une cible. La source de nanoparticules NAPIS a été développée et validée indépendamment au sein de la société ORSAY PHYSICS, avant son couplage sur l’accélérateur.Une nouvelle optique d’extraction appelée ExOTOF ainsi que le spectromètre de masse à extraction orthogonale PSI-TOF ont été développés pour permettre l’analyse des ions secondaires et augmenter la résolution en masse du système. Ces ensembles ont été spécialement dessinés pour ce projet. Ils permettront une extraction et une analyse efficace des ions secondaires émis depuis la surface de l’échantillon en utilisant des faisceaux continus et auront leur application pour les analyses à la pression atmosphérique. L’ensemble a été validé et les premiers tests de sortie du faisceau primaire ont été réalisés avec succès. / The goal of the ANDROMEDE project is to create a new instrument for sub-micrometric ion imaging and analysis by mass spectrometry, using ion impacts on nano-objects present in the solid sample surface and more particularly on biological samples. In-vitro and in-vivo analysis of these types of samples require mostly complex preparation and even atmospheric pressure experimentation. This unique instrument opens a new path for surface analysis characterization, which is complementary to the standard methods and technics used today.In the ANDROMEDE project, two elements have been developed in our study. The NAPIS source which delivers the nanoparticles allowing the increase of the secondary ion yield and the PSI-TOF mass spectrometer for the chemical analysis of the elements emitted from the sample surface.The NAPIS source delivers a primary beam of accelerated nanoparticles in a Pelletron 4MeV accelerator which is driven to a target. The NAPIS nanoparticles source has been developed and validated independently in the ORSAY PHYSICS Company firstly before its coupling on the accelerator. The new extraction optics called ExOTOF as well as the PSI-TOF orthogonal extraction mass spectrometer have been developed for the reliable secondary ions study and the increase of the mass resolution.These instruments have been specially designed for this project. This development will allow an efficient extraction and analysis of the secondary ions emitted from the sample surface using continuous primary beams and will have applications for atmospheric pressure studies. The assembly has been completely validated and the first tests of the output beam have been successfully carried out.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre du projet ALTO (Accélérateur Linéaire Auprès du Tandem d'Orsay), projet exploitant la photofission comme mode de production de noyaux riches en neutrons pour la séparation en ligne. Nos travaux portent sur l'étude des modes d'adaptation de l'environnement de production représenté par son ensemble cible-source d'ions.<br /> Nous avons mené une étude exhaustive de radioprotection pour dimensionner et définir la nature des blindages nécessaires pour faire face aux flux intenses de photons et de neutrons générés dans la cible de production.<br /> Les simulations Monte Carlo avec le code FLUKA nous ont permis de calculer le transport simultané des photons et des neutrons avec une modélisation intégrale des structures géométriques très complexes. Pour l'ensemble cible-source d'ions et les points critiques de pertes de faisceaux, nous proposons des blindages optimisés basés essentiellement sur la structure segmentée.<br /> Nous avons étudié l'adéquation d'une cible épaisse de carbure d'uranium pour la production de noyaux radioactifs riches en neutrons par photofission. En particulier, nous avons montré la validité du code FLUKA pour la photofission avec un faisceau d'électrons de 50 MeV, en comparant les résultats de calculs aux mesures expérimentales réalisées.<br /> Enfin, nous présentons nos travaux de conception et de développement d'un prototype de source d'ions de type FEBIAD destinée aux installations de seconde génération : la source IRENA. Ces travaux montrent à quel point les considérations de radioprotection sont également impliquées dans le développement de la source.

Le développement de la source d'ions négatifs pour l’injecteur de particules d’ITER constitue une des étapes essentielles pour générer des neutres de haute énergie . Pour remplir les caractéristiques requises pour ITER en termes de chauffage et de courant à l'intérieur du réacteur principal, la source d'ions négatifs doit délivrer 40A de D-. La création d'une telle source représente un défi tant technique que scientifique et demande une meilleure compréhension des phénomènes physiques impliquées . Les connaissances actuelles sur le méchanisme d'extraction d'ion négatifs d’un plasma électronégatif sont limitées, spécialement concernant la compréhension des caractéristiques d'une gaine de plasma magnétisé dans la région d’intérêt où on constante également l’extraction des électrons simultanément avec les ions négatifs qui. De plus, l'asymétrie due à la configuration croisée du champ magnétique pour piéger les électrons nécessite une étude du problème en trois dimensions. Un code 3D Particle-In-Cell électrostatique a été spécialement développé pour étudier ce problème. Le code utilise les coordonnées cartésiennes et peut prendre en compte des géométries complexes. Le code nommé ONIX étudie les propriétés du plasma et le transport des électrons et des ions négatifs au niveau de la zone d'extraction. Les résultats sur la formation d'un ménisque de plasma et l'écrantage du champ d'extraction par ce plasma, ainsi que les trajectoires des ions négatifs, sont présentés. L'efficacité de l'extraction d'ions négatifs du volume et de la surface est investiguée et on trouve que les processus de création en surface des ions négatifs jouent un rôle capital. / The development of the negative ion source constitutes a crucial step in the construction of the neutral beam injector of ITER. To fulfil the ITER requirements in terms of heating and current drive, the negative ion source should deliver 40 A of D-. The achievement of such a source is challenging from technical and scientific points, and it requires a deeper understanding of the underlying physics. The present knowledge of the ion extraction mechanism from the negative ion source is limited due to the complexity of the problem that involves the comprehension of the behaviour of magnetized plasma sheaths when negative ions and electrons are pulled out from the plasma. Moreover, due to the asymmetry induced by the crossed magnetic configuration used to filter the electrons, any realistic study of this problem must consider the three spatial dimensions. To address this problem in a realistic way, a 3D Particles-in-Cell electrostatic code specifically designed for this system was developed. The code uses Cartesian coordinate system and it can deal with complex boundary geometry as it is the case of the extraction apertures. The complex magnetic field that is applied to deflect electrons is also taken into account. This code, called ONIX, was used to investigate the plasma properties and the transport of negative ions and electrons close to a source extraction aperture. Results on the formation of the plasma meniscus and the screening of the extraction field by the plasma are presented here, as well as negative ions trajectories. Negative ion extraction efficiency from volume and surfaces was investigated showing the capital importance of the surface negative ion production.

Les Propulseurs à Plasma Stationnaire (SPT) sont des moteurs de petites tailles présentant des propriétés intéressantes pour les changements d'orbite basse et les corrections Nord-Sud et Est-Ouest des satellites. Le principe du fonctionnement d'un tel propulseur est basé sur la création d'un plasma hors équilibre stationnaire sous champ magnétique perpendiculaire à l'axe de la décharge qui conduit à la génération d'un faisceau d'ions utilisé pour propulser le satellite. Ce travail est d'autant plus d'actualité qu'un projet français doit permettre le lancement en 2000 du satellite STENTOR avec à son bord des propulseurs de type SPT. Le but de cette thèse est de mieux comprendre les phénomènes physiques se produisant dans les SPT à l'aide de modèles numériques. Un premier aspect a consisté à élaborer un modèle particulaire Monte Carlo capable d'apporter des éclaircissements sur le transport des électrons dans le moteur au travers d'une approche microscopique. Nous avons été conduits, dans un deuxième temps, à nous intéresser aux caractéristiques électriques (oscillations basses fréquences du courant de décharge, évolution du plasma) et aux performances du moteur (poussée, impulsion spécifique et efficacité). Pour cela, nous avons mis au point un modèle unidimensionnel, quasineutre, transitoire, auto-cohérent (approches fluide et hybride) permettant de suivre l'évolution de la décharge dans le canal. En formulant certaines hypothèses simplificatrices, nous avons pu conserver un temps de calcul assez faible pour pouvoir réaliser des études complètes et variées sur l'influence des paramètres extérieurs (débit de gaz injecté, potentiel appliqué, forme et valeur du champ magnétique) sur les caractéristiques du propulseur. Les résultats obtenus sont qualitativement en accord avec les résultats expérimentaux et avec les résultats obtenus à l'aide d'autres modèles.

L'objet de ce travail consiste dans un premier temps en la modélisation d'une source plasma filaire en régime continu basse pression, puis, dans un second temps, en la caractérisation des propriétés d'une source d'ions développée sur la base de la source plasma préalablement étudiée. Un code particulaire permettant de modéliser le fonctionnement de la source plasma est ainsi développé, puis validé par comparaison avec les résultats d'une étude expérimentale. A la lueur des résultats de simulation, une analyse de la décharge en termes d'écoulement ionique de Child-Langmuir collisionnel en géométrie cylindrique est proposée, permettant alors d'interpréter la transition de mode comme une réorganisation naturelle de la décharge lorsque le courant de décharge excède un courant limite fonction de la tension de décharge, de la pression et de l'espace inter-électrodes. L'analyse de la fonction de distribution en énergie des ions impactant la cathode met par ailleurs en évidence la possibilité d'extraire un faisceau d'ions de faible dispersion en énergie autour de la tension de décharge, et ce sous réserve d'opérer la décharge dans son mode haute pression. Un prototype de source d'ions permettant l'extraction et l'accélération d'ions à partir de la source filaire est alors proposé. L'étude expérimentale d'un tel dispositif confirme le fait que l'adjonction d'un processus d'accélération se traduit par un simple décalage de la fonction de distribution en vitesse des ions d'une valeur correspondant à la tension d'accélération, mais ne l'élargit pas. Il est ainsi possible de produire des faisceaux d'ions de diverses espèces ioniques, d'énergie modulable (0-5 keV) et de dispersion en énergie limitée (~ 10 eV). Les courants de faisceau mesurés sont de quelques dizaines de micro-ampères, et la divergence d'un tel faisceau est de l'ordre du degré. Une modélisation numérique de cette source d'ions est finalement entreprise afin d'identifier de possibles optimisations du concept proposé.

Dans les sources d'ions de type EHIS " End-Hall Ion Source " un faisceau ionique est extrait d'un plasma magnétisé sans l'utilisation d'un système de grilles d'extraction. Les sources EHIS sont essentiellement utilisées dans des procédés de traitement de surface. Dans ce type de sources, le plasma est généré par l'application d'une tension entre les électrodes afin de créer une décharge DC. La présence, dans le plasma, d'un champ magnétique parallèle à une anode conique réduit la mobilité électronique dans la direction perpendiculaire aux lignes de champ magnétique. La chute de conductivité électronique dû au champ magnétique près de l'anode entraîne l'établissement d'un champ électrique dans cette région pour assurer le transport du courant électronique vers l'anode. Les ions créés par impact électron-atome sont expulsés de la source par le champ électrique proche de l'anode et forment un faisceau ionique. Ces sources ont été optimisées de façon très empirique et leur fonctionnement est loin d'être totalement compris. Dans le but de mieux comprendre le mécanisme de fonctionnement des sources EHIS, nous avons développé un modèle auto-cohérent axisymétrique. Dans ce modèle les espèces lourdes (Ar et Ar+) sont décrites de façon particulaire. Le transport électronique est traité de façon fluide par résolution des trois premiers moments de l'équation de Boltzmann en supposant l'équilibre de Boltzmann le long des lignes de champ magnétique et la quasi-neutralité du plasma. Le champ électrique est déduit d'une équation de conservation du courant. Ce model a permis de clarifier plusieurs aspects du fonctionnement des " End-Hall Ion Sources ".

Dans ce travail de thèse, nous avons étudié la technique de l'ionisation résonante (qui consiste à ioniser un atome par faisceaux laser) que nous avons appliqué dans deux domaines importants en physique nucléaire : la production sélective de faisceaux d'ions radioactifs exotiques et l'étude de leurs propriétés dans le cadre d'une expérience de spectroscopie laser sur les isotopes de tellure. <br /><br />La naissance du projet ALTO (Accélérateur Linéaire auprès du Tandem d'Orsay) à l'IPN d'Orsay a fait émerger l'idée d'installer une source d'ions laser. A cet effet, une étude de faisabilité a été entreprise avec une installation laser à faible cadence (30 Hz) celle-ci devant être étendue à 20 kHz sur la future installation de faisceaux radioactifs (ALTO). Après un premier faisceau d'étain ionisé avec succès par cette source, nous avons poursuivi l'étude avec un faisceau de cuivre. Nous avons d'abord effectué des tests de schémas d'ionisation du cuivre stable : un schéma vers le continuum et deux schémas vers des états autoionisants voisins. Le schéma le plus efficace commence par une étape d'excitation de longueur d'onde λ1 = 249.2 nm suivie d'une longueur d'onde d'ionisation λ2 = 439.92 nm. Celle-ci correspond à un état autoionisant situé à 62845 cm-1 non connu auparavant et voisin des deux autres états autoionisants sélectionnés au départ. L'efficacité d'ionisation laser avec ce schéma a été mesurée et elle est semblable à celle prédite par la théorie. <br /><br />L'ionisation résonante par faisceaux laser est également utilisée dans des expériences de spectroscopie auprès de COMPLIS à ISOLDE au CERN. La technique dans ce cas consiste à effectuer un balayage en fréquence autour de la transition d'excitation des atomes pour sonder leur structure hyperfine. Cette étape sera suivie de l'étape d'ionisation pour ioniser les atomes et les détecter. La spectroscopie laser nous permet de déterminer la structure hyperfine et le déplacement isotopique des atomes. Nous avons utilisé cette technique pour étudier les isotopes de tellure sur une longue chaîne isotopique 125m, 127mg, 129mg, 131mg, 132, 133mg, 134, 135 et 136Te. A partir des déplacements isotopiques mesurés nous avons déterminé la variation du rayon carré moyen de charge qui fait apparaître une rupture de pente du rayon de charge à N = 82 : la déformation du noyau diminue jusqu'à N = 82 où elle atteint la sphéricité puis elle augmente au-delà. <br />La mesure de la structure hyperfine des isotopes impairs de tellure nous a permis de déterminer les constantes de structure hyperfine des isotopes 135 et 133 dans leur état fondamental (Iπ = 7/2- et 3/2+ respectivement) et des isotopes 125, 127, 129, 131 et 133 dans leur état isomérique (Iπ = 11/2-). A partir de ces constantes nous avons extrait les moments nucléaires : µI et Qs. La comparaison des valeurs des moments magnétiques µI expérimentales avec les valeurs de moments existantes dans la littérature mesurées par résonance magnétique nucléaire nous donne un parfait accord.<br />L'extraction des valeurs des déformations à partir des moments quadrupolaires spectroscopiques en supposant une symétrie axiale conduit à une quasi sphéricité pour tous ces noyaux. Malgré les grandes barres d'erreurs, elles sont semblables aux valeurs des moments quadrupolaires des isotopes d'étain.

La caractérisation des ions multichargés dans le plasma d'une source ECR utilise comme moyen de diagnostic non perturbatif la spectroscopie dans le domaine de l'ultraviolet sous vide. Dans ce type de source, les électrons sont chauffés par interaction avec une onde HF et confinés magnétiquement par effet miroir. Les électrons interagissent avec l'onde HF à la résonance cyclotronique au cours de leurs allers et retours successifs dans le miroir magnétique. Ils acquièrent ainsi l'énergie nécessaire pour dépasser les potentiels d'ionisation de chacun des états de charge de l'élément injecté dans la source. L'amélioration des performances d'une source ECR en courant d'ions extraits et en états de charge obtenus passe par la connaissance des grandeurs physiques fondamentales des espèces présentes dans le plasma. Le but de la spectroscopie V.U.V. est de déterminer la densité et la température électronique d'une part et la densité et le temps de confinement des ions d'autre part. Nous avons utilisé des galettes de micro canaux comme détecteurs de position sur un spectromètre à incidence rasante muni d'un réseau de 3 mètres de rayon de courbure comportant 600 traits/mm. On effectue l'étalonnage en intensité de l'ensemble réseau-détecteur par 2 méthodes. Ce sont les méthodes des rapports de branchement et d'échanges de charge. L'identification des raies émises par le plasma qui regroupe l'ensemble des états de charge possibles de l'élément étudié est nécessaire pour faire une étude exhaustive de l'état du plasma. Finalement, la détermination des paramètres du plasma sur la base théorique de 2 sources ECR disponibles au laboratoire a été réalisée pour la première fois.