Evaluation expérimentale et théorique de l'impédance transverse dans l'anneau de stockage ThomX

par Ezgi Ergenlik

Projet de thèse en Physique des accélérateurs

Sous la direction de Christelle Bruni et de Pierre Lepercq.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec LAL - Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire (laboratoire) , Applied Statistics and machine learning (AppStat) (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (1970-2019) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 30-09-2018 .


  • Résumé

    De nos jours, les densités volumiques de charge devant être atteint dans les accélérateurs de particules sont de plus en plus importantes. Les modélisations décrivant l'évolution des particules chargées dans l'espace des phases de façon indépendantes ne suffit pas. Les interactions entre les particules du paquet ou bien avec son environnement telle que la chambre à vide, les ions du vide résiduel doivent être pris en compte afin de conserver un faisceau stable. Ces effets dits « collectifs » prennent une part importante aux études sur les accélérateurs que ce soit pour des grandes machines comme le LHC que pour des accélérateurs de démonstration comme ThomX. En particulier, l'interaction du faisceau de particules chargées circulant dans un tube de l'accélérateur crée un champ de sillage qui va lui même interagir avec le paquet et modifier ses propriétés, ou engendrer des instabilités. Ces interactions sont modélisées via une impédance de l'accélérateur qui peut être longitudinale et transverse. Une première approche consiste donc à évaluer au travers de simulations électromagnétiques l'impédance des éléments de l'accélérateur. Une confirmation de ces modélisations est nécessaire par des mesures dites RF consistant à mesurer les champs induits par un courant dans les éléments accélérateurs. In fine, les mesures faites avec le faisceau de particules chargées permettent d'affiner les modèles afin d'améliorer le rapprochement expérience/simulation. L'impédance est une part importante des études et mesures sur les accélérateurs afin de maitriser la dynamique des faisceaux de particules, mais servent aussi à manipuler le faisceau d'électrons dans l'espace de phases pour des accélérateurs linéaires ou bien à des fins de diagnostic. La thèse proposée dans le cadre du projet ThomX sera centrée sur l'impédance transverse de l'anneau de stockage d'électrons. Des simulations et mesures de l'impédance longitudinale ont déjà été effectuées sur les principaux éléments de l'anneau. Les modèles ainsi que le banc de mesure sont déjà en place. Cependant la mesure de l'impédance transverse nécessite des adaptations du banc de mesure RF. La difficulté réside dans une mesure à bas bruit avec des éléments mécaniques de petite taille. D'autre part le démarrage de ThomX s'effectuant dans le courant de l'année 2018, une partie importante du travail de thèse portera sur la caractérisation expérimentale des instabilités de la dynamique faisceau. Un rapprochement avec les simulations de la dynamique du faisceau dans l'anneau sera aussi effectué afin d'identifier des sources supplémentaires d'instabilités, et d'améliorer la modélisation. La partie liée à l'impédance transverse dans le code de simulations existant au laboratoire devra être implémentée. D'autres sources d'instabilités comme les nuages d'ions ou le rayonnement synchrotron cohérent, ainsi que l'Intrabeam scattering seront aussi abordées durant la thèse. La thèse sera à la fois expérimentale et théorique. Elle apportera au doctorant l'expérience unique d'un démarrage de machine. Les principaux axes de recherches seront : - évaluation du budget de l'impédance transverse par des simulations électromagnétiques - mesures des impédances sur le banc RF - Modélisation des impédances, et simulations de son impact sur la dynamique faisceau (code de tracking) - Participation au démarrage de ThomX, et mesure expérimentale des effets d'impédances sur le faisceau

  • Titre traduit

    Transverse impedance in the ThomX electron storage ring


  • Résumé

    Nowadays, there are more demanding performances concerning the charge density in accelerators. Modelisations, which describe only single particle dynamics are not sufficient. Mutual interactions of the particles and with their environment such as vacuum chamber, ions of residual vacuum should be taken into account in order to preserve the electron beam stability. These effects called collective effects take an important part on accelerator studies for machines as LHC or for smallest accelerator as ThomX. Particularly, interactions of the charged beam circulating inside the vacuum pipe generate a wakefield, which will itself interacts with the electron bunch and modify its characteristic, or create instabilities. These interactions can be modelised with an impedance, which can be longitudinal or transverse. First approach consists in evaluating through electromagnetic simulations, the impedance of the accelerator devices. Confirmations of these modelisations are required by means of RF measurement, which consists in measuring induced current in the accelerator devices. At the end, the experiment done with the electron beam enables to refine the modelisation and then improves experience/simulation reconciliation. Impedance studies take a major importance in the dynamics of charged particle beams, but can also be an approach to manipulate the phase space of the electron beam or for diagnostics. The proposed thesis in the context of ThomX will be mainly dedicated on transverse impedance and collective effects of the electron storage ring. Simulations and RF longitudinal impedance measurements have been already done on the main device of the ring. Modelisation and the RF test bench already exist. Nevertheless, transverse impedance measurement needs adaptations. The difficulty lies in low noise measurements with small mechanical elements. In addition, the starting of ThomX commissioning being during the 2018 year, an important part of the work will be done to characterize the instabilities. A comparison between simulations and experimental results will be done to identify additional sources of instabilities and improve modelisation. Transverse impedance should be implemented in the used tracking code for ThomX. Other sources of instabilities such as ion cloud, coherent synchrotron radiation or intrabeam scattering will be also treated. The thesis will be experimental and theoretical, with an unique experience during an accelerator commisioning. Main research will be : - Impedance measurement with the RF test bench - Transverse impedance budget evaluation with electromagnetic simulations - Impedance modelisation and simulation of their impact on the electron beam dynamics - Participation to the ThomX commissioning phase and experimental measurement of the impedance effects on the electron beam