Etude de l'instabilité de couplage des modes transverses dans le Grand Collisionneur de Hadrons du CERN

Study of the transverse mode coupling instability in the CERN Large Hadron Collider

• Auteur / Autrice : David Amorim
• Direction : Jean-Marie de Conto, Nicolo Biancacci
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique subatomique et astroparticules
• Date : Soutenance le 07/10/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Johann Collot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Puzo, Benjamin Trocmé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ryutaro Nagaoka, Mauro Migliorati

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnements

Grand collisionneur de hadrons

Mots clés libres

Accélérateur

Effets collectifs

Équation de Vlasov

Instabilités

Dynamique faisceau

Accelerator

Collective effects

Vlasov equation

Instabilities

Beam dynamics

Résumé

Le projet de LHC Haute Luminosité sera une amélioration majeure de l'accélérateur visant à accroître ses performances et son potentiel de découvertes.L'intensité du faisceau sera multipliée par deux pour augmenter la luminosité du collisionneur.À de telles intensités, les effets collectifs et en particulier l'impédance de couplage du faisceau sont une limitation possible des performances du LHC.Après une introduction à la physique des accélérateurs et aux effets des champs électromagnétiques induits, deux codes de simulation des effets cohérents du faisceau seront détaillés : PyHEADTAIL, un code macro-particulaire temporel, et DELPHI, un solveur de l'équation de Vlasov.Ces derniers sont important pour estimer les marges de stabilité dans les accélérateurs du CERN, c'est pourquoi une comparaison détaillée pour différentes impédances, y compris celle du LHC, sera présenté.% Les résultats seront également comparés à des formules souvent utilisées comme premières approximations dans les études de stabilité.Les limites de stabilité actuelles du LHC seront ensuite étudiées à l'aide de simulations DELPHI.En particulier, l'instabilité de couplage des modes transversaux, une instabilité rapide se produisant dans les faisceaux de haute intensité pour des chromaticités proches de zéro, sera étudiée.Les résultats seront ensuite comparés à des mesures réalisées dans l'accélérateur.Des mesures basées sur le faisceau de plusieurs collimateurs seront également présentées et comparées aux prédictions du modèle d'impédance.L'association de ces différentes mesures et leur comparaison avec les simulations nous permettra d'estimer l'incertitude sur le modèle d'impédance du LHC.Pour faire face à l'augmentation de l'intensité du faisceau, une réduction d'impédance est prévue pour le projet de LHC Haute Luminosité.L'impact de différents scénarios sera étudié du point de vue de l'instabilité de couplage des modes transversaux.L'effet bénéfique d'une réduction d'impédance sera démontré par des mesures sur le LHC.Les mesures effectuées dans le LHC sur un prototype de collimateur d'impédance réduite, un élément clé du projet, seront également présentées.Ces simulations et mesures confirmeront l'augmentation du seuil de couplage des modes à une valeur trois fois supérieure à l'intensité nominale des paquets.

The High-Luminosity upgrade of the CERN LHC will increase its performance and the potential physics discoveries.The beam intensity will be multiplied by two to increase the collider luminosity.With such high intensities, collective effects and in particular beam coupling impedance are a possible performance limitation for the accelerator.After an introduction to accelerator physics and wake-fields, two collective effects codes will be detailed: PyHEADTAIL, a time-domain macro-particle code, and DELPHI, a Vlasov equation solver.Both are important to estimate coherent beam stability margins in the CERN accelerator complex, therefore a detailed comparison for different wakes and impedances, including the LHC model, will be presented.The current LHC stability limits will then be investigated with DELPHI simulations.In particular the Transverse Mode Coupling Instability, a fast instability occurring for high intensity beams with chromaticities close to zero, will be studied.The results will then be compared to measurements performed in the accelerator.Beam based measurements of several collimators will also be presented and compared to predictions from the impedance model.Combining these measurements and their comparison to simulations we will estimate the uncertainty on the LHC impedance model.To cope with the increased beam intensity, the impedance of the High Luminosity upgrade of the LHC will be reduced.The impact of different upgrade scenarios will be studied from the Transverse Mode Coupling Instability perspective.The potential benefits of an impedance reduction will be demonstrated through measurements in the LHC.Measurements performed in the LHC on a low impedance prototype collimator, the key component to the impedance reduction, will also be presented.These simulations and measurements will confirm the increase in the mode coupling threshold towards a value three times higher than the nominal bunch intensity.