Etudes et mise en service d'un Kicker d'Injection multipolaire pour une injection transparente au Synchrotron SOLEIL

Multipole Injection Kicker studies and commissioning for a transparent injection in the SOLEIL synchrotron

• Auteur / Autrice : Randy Ollier
• Direction : Ryutaro Nagaoka, Laurent Stanislas Nadolski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des accélérateurs
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Synchrotron SOLEIL
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Kazamias
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pedro Fernandes Tavares, Masamitsu Aiba, Christelle Bruni, Simon White
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pedro Fernandes Tavares, Masamitsu Aiba

Mots clés

Mots clés contrôlés

Faisceaux électroniques

Faisceaux, Dynamique des

Sources de rayonnement synchrotron

Mots clés libres

Sources de lumière synchrotron à anneau de stockage

Simulation

Injection

Kicker d'Injection Multipolaire

Stabilité faisceau

Diagnostics à haute performance

Storage ring-Based synchrotron light sources

Simulation

Injection

Multipole Injection Kicker

Beam stability

High performance diagnostics

Résumé

Les sources de lumière synchrotron à anneau de stockage de troisième génération, à faible émittance de l’ordre de quelques nm rad, furent mises en service à partir des années 90 afin que les physiciens bénéficient de faisceaux de photons hautement brillants. Pour cela, des aimants à plus forte focalisation et des insertions à aimants permanents furent utilisés. En contrepartie, le taux de perte d’électrons stockés augmente. Cela affecte la position des points sources des lignes de lumière, leur optique et les diagnostics de l’anneau, car la baisse d’intensité du courant stocké induit une variation significative de la charge thermique. Les limitations liées aux modes d’opération par dé-croissance du courant ont conduit à l’avènement du mode top-up. Il s’agit de maintenir l’intensité du courant stocké constante. Ainsi, l’injection de nouveaux électrons est un processus fréquent. Aujourd’hui, la plupart des synchrotrons fonctionnent en mode top-up, mais un inconvénient majeur est mis en évidence par des utilisateurs. Le processus d’injection, malheureusement détecté par certaines lignes de lumière, est devenu gênant par son taux de répétition élevé. En effet, le faisceau d’électrons stocké est systématiquement perturbé par les aimants d’injection impliqués. C’est pourquoi les physiciens et ingénieurs des accélérateurs élaborent des solutions pour préserver la stabilité du faisceau. Opérer un synchrotron en mode top-up tout en garantissant une injection transparente, caractérisée par des perturbations de la position du faisceau stocké inférieures à 10% de sa taille rms, est un véritable défi. Aujourd’hui, cette tolérance est encore plus stricte en raison de l’avènement des synchrotrons de quatrième génération où les seuils de stabilité tombent à 2% ou 3%. Le schéma d’injection standard de l’anneau de stockage de SOLEIL (2.75 GeV) repose sur deux aimants à septum et quatre kickers dipolaires rapides installés dans une section droite de 12 mètres de long. L’injection consiste à déplacer localement et momentanément le faisceau stocké en utilisant les kickers. Le réglage parfait des kickers, qui permettrait d’atteindre la transparence, est impossible, car il nécessite que les alimentations pulsées, les dépôts de Ti des chambres céramiques et les composants électroniques des aimants soient identiques. Afin d’éviter de déplacer le faisceau stocké, les quatre kickers peuvent être remplacés par un seul aimant pulsé, dont le champ magnétique a une forme octupolaire, fournissant une zone sans champ sur la trajectoire du faisceau stocké et une déviation horizontale au faisceau injecté qui minimise l’amplitude de son oscillation betatron. Ce Kicker d’Injection Multipolaire (MIK), développé dans le cadre d’une collaboration entre SOLEIL et MAX IV, actuellement en opération dans son anneau de stockage (3 GeV), démontre qu’il ré-pond au cahier des charges. Une copie du MIK fut installée dans une section droite courte de l’anneau de SOLEIL en janvier 2021. Des perturbations inférieures à 2% de la taille rms du faisceau stocké furent mesurées en utilisant les diagnostics haute performance récemment mis en service. Dans mon manuscrit, les principales difficultés de conception d’un aimant si innovant sont détaillées (dépôt de Ti, tolérances d’alignement, forme d’impulsion, etc). Les développements apportés à la modélisation et l’optimisation de l’injection MIK, grâce aux codes TRACY-III et Accelerator Tool-box, sont présentés. Les performances de l’injection MIK modélisées sont comparées à celles du modèle d’injection standard, puis corrélées aux résultats expérimentaux. Les diagnostics haute performance, fournissant des mesures tour par tour des pertes électroniques, de la position et de la taille du faisceau, sont essentiels lorsque de tels niveaux de stabilité du faisceau sont atteints. Ils sont aussi présentés en détail. Enfin, les mesures de certaines lignes de lumière caractérisant les performances des deux schémas d’injection sont fournies.

Abstract : Third generation storage ring-based synchrotron light sources, characterized by low emittance on the order of a few nm rad, have been commissioned since the 90s’ in response to the need for physicists to benefit from high brilliance photon beams. The requirement was achieved thanks to stronger focusing magnets and permanent magnet-based insertion devices. However, this tipping point has a significant cost. Achieving such emittance levels by means of strong focusing increased the electron loss rate. Hence, the average current intensity in the storage ring decreases more rapidly. This adversely affects the position of the source points, beamline optics and diagnostics due to the large resulting thermal drift of the storage ring. The significant limitations of the so-called decay mode led to the advent of top-up operation. The goal is to keep the average current intensity in the storage ring constant. Thus, injection of new electrons occurs frequently. Nowadays, many light sources are operated worldwide in top-up mode, but a major drawback has been reported by the users. The injection process, which is undesirably detected by the beamlines, has become inconve-nient due to its high repetition rate. Indeed, the stored beam is perturbed by the injection magnets involved. Accelerator physicists and engineers are already looking for solutions to overcome this li-mitation as many projects have been launched. Achieving transparent top-up injection, characte-rized by stored beam position perturbations lower than 10% the root mean square (rms) of the stored beam size, is very challenging. Today, this tolerance is even more stringent with the advent of fourth generation synchrotrons, thresholds falling to 2% to 3%.The most common injection scheme for synchrotrons relies on one or several in-air and in-vacuum septum magnets along with several fast dipole kickers installed preferably in a straight sec-tion of the storage ring. In this context, the injection generally consists in providing a local tran-sient bump, using the kickers. The standard in-jection scheme of the SOLEIL 2.75 GeV storage ring relies on this principle and devices (two sep-tum magnets and four kickers installed in a 12-meter-long straight section). Perfect matching of the kickers to meet the perturbation tolerances is impossible since it would require at least iden-tical pulsers, magnets, Ti coated ceramic cham-bers and electronics. To dispense with the injec-tion bump, the four kickers can be replaced by a single pulsed magnet, benefiting from an octupolar shaped magnetic field providing a field-free region in the stored beam path and a horizontal kick to the injected beam which minimizes its be-tatron oscillation amplitudes. This Multipole In-jection Kicker (MIK), developed in the frame of a collaboration between SOLEIL and MAX IV, and currently installed in the MAX IV 3 GeV storage ring, has proven to meet the transparency specifi-cations. A copy of the MIK has been installed in a short straight section of the SOLEIL storage ring in January 2021. Perturbations of less than 2% the rms size of the stored beam were measured using the newly installed high-performance diagnostics. In my manuscript, the major challenges inherent in designing such an innovative magnet are detailed (Ti coating, conductors’ position tolerances, pulse design, etc). The simulation developments as well as the MIK injection optimizations, using TRACY III and Accelerator Toolbox, are reported. The performance of the modeled MIK-based injection is compared to that of the standard injection model. Then, results of the MIK commissioning are pre-sented in depth along with the high-performance diagnostics providing turn-by-turn position, beam size and losses measurements, which are essential when such levels of beam stability are to be achieved. Finally, beamlines measurements characterizing the performance of the bumped-based and MIK injection schemes are provided.