Design of a diamond beam monitor for on-line control of pulsed beams
Conception d'un moniteur faisceau diamant pour le contrôle en ligne de faisceaux pulsés
Résumé
The work described in this thesis is focused on the development of a pulsed ion beam monitor (protons or alpha of 70 MeV) to instrument the ARRONAX cyclotron AX search line. The main objective is to be able to measure in real time the load contained in pulse trains (of a duration of 4 ns at the frequency of 30.45 MHz) with a time marking of each start and end of the train throughout a period of irradiation. The exposure of this monitor to high particle flows (from 1e11 to 1e13 p/cm2/s) and to cumulative fluctuations (in the order of 1e14 p/cm2) oriented the project towards the use of a large gap semiconductor material : diamond as an active ion detection volume. In fact, the diamond meets the criteria of speed, low noise, excellent charge collection and radiation resistance imposed by the experimental conditions. A simulation work (PyDiam) was initiated to understand the physics involved and to optimize the technological developments inherent in the design of the monitor. Quantitative and qualitative studies were carried out under beams to characterize the active volume in this highly radiative environment. The analysis mainly focused on determining the detector’s operating range based on the flow (linearity criterion of the response) and limits were placed on its radiation resistance (loss of detection efficiency less than 15 %). In particular, damage created in the active volume for cumulative flows up to 1e15 p/cm2 under alpha and proton beams has been subject to a pre- and post-irradiation test protocol. It combines measurements (i) in spectroscopy with an alpha source at the LPSC (charge collection efficiency determination (CCE)), (ii) in RAMAN spectroscopy at the Néel Institute (identification of the type of defects created in the crystalline structure), and (iii) under X-ray beams at the ESRF (XBIC 2D mapping of the current response (Xrays Beam Induced Current)) for a systematic and quantitative assessment of the deterioration of ion beam performance. (ARRONAX). This work allowed for the dimensioning of the active volume and guided the choice of a particular geometry for instrumenting the diamond as a detector. Finally, the characterization of an electronics dedicated to the reading, processing and acquisition of diamond signals, in the laboratory and under beams at ARRONAX, allowed the design of the final detector: DIAMMONI whose operation was validated during this thesis.
Les travaux décrits dans cette thèse sont centrés sur le développement d’un moniteur de faisceaux pulsés d’ions (protons ou alpha de 70 MeV) pour instrumenter la ligne recherche AX du cyclotron d’ARRONAX. L’objectif principal est de pouvoir mesurer en temps réel la charge contenue dans des trains de pulses (d’une durée de 4 ns à la fréquence 30.45 MHz) avec un marquage temporel de chaque début et fin de train pendant toute une période d’irradiation. L’exposition de ce moniteur à des hauts flux de particules (de l’ordre de 1e11 à 1e13 p/cm2/s) et à des fluences cumulées (de l’ordre de 1e14 p/cm2 ) ont orienté le projet vers l’utilisation d’un matériau semi-conducteur à grand gap : le diamant comme volume actif de détection des ions. En effet, le diamant répond à des critères de rapidité, de bas bruit, d’excellente collecte de charges et de résistance aux radiations imposés par les conditions expérimentales. Un travail de simulation (PyDiam) a tout d’abord été initié afin de comprendre les physiques mises en jeu et d’optimiser les développements technologiques inhérents à la conception du moniteur. Des études quantitatives et qualitatives ont été réalisées sous faisceaux pour caractériser le volume actif dans cet environnement hautement radiatif. Les analyses ont porté essentiellement sur la détermination de la plage de fonctionnement du détecteur en fonction du flux (critère de linéarité de la réponse) et des limites ont été posées sur sa capacité de résistance aux radiations (perte d’efficacité de détection inférieure à 15 %). Notamment, les endommagements créés dans le volume actif pour des fluences cumulées jusqu’à 1e15 p/cm2 sous faisceaux d’alpha et de protons ont fait l’objet d’une mise en place d’un protocole de tests pré- et post-irradiation. Il combine des mesures i) en spectroscopie avec une source alpha au LPSC (détermination de l’efficacité de collecte de charges (CCE)), ii) en spectroscopie RAMAN à l’Institut Néel (identification du type de défauts créés dans la structure cristalline), et iii) sous faisceaux de rayons X à l’ESRF (cartographie 2D de la réponse en courant en XBIC (Xrays Beam Induced Current)) pour une évaluation systématique et quantitative de la détérioration des performances sous faisceaux d’ions (ARRONAX). Ce travail a permis de dimensionner le volume actif et a guidé le choix d’une géométrie particulière pour instrumenter le diamant en détecteur. Enfin la caractérisation d’une électronique dédiée de lecture, de traitement et d’acquisition des signaux diamant, en laboratoire et sous faisceaux à ARRONAX, a permis la conception du détecteur final : DIAMMONI dont le fonctionnement a été validé au cours de cette thèse.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
|---|---|
| Licence |