Nouveau schéma d'injection et développement des outils innovants pour les mesures basées sur le faisceau électrons

par Randy Ollier

Projet de thèse en Physique des accélérateurs

Sous la direction de Ryutaro Nagaoka et de Laurent Nadolski.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat , en partenariat avec SOLEIL - Synchrotron SOLEIL (laboratoire) et de Faculté des sciences d'Orsay (référent) depuis le 07-10-2019 .


  • Résumé

    La première partie de la thèse concernera la problématique de l'injection dans les futurs anneaux de stockage. Ce travail devra d'abord consister à modéliser et optimiser l'effet du champ magnétique pulsé du kicker multipolaire d'injection (MIK) en cours de construction à SOLEIL, pour obtenir les meilleures performances possibles en termes d'efficacité d'injection et de transparence sur le faisceau stocké. Ensuite les profils de pertes de long de l'anneau de stockage seront calculés et plusieurs programmes nécessaires pour le commissioning seront écrits utilisant les données issus des BPM tour par tour et les nouveaux détecteurs de pertes en cours d'installation sur l'anneau de stockage (programme de recherche automatique de l'orbite fermée sur les premiers tours pour stocker le faisceau). Enfin, le doctorant participera à l'installation du MIK sur l'anneau de stockage (prévue à l'été 2020), aux tests expérimentaux et à sa mise en opération (2020, 2021). Ce système a l'avantage de réduire les distorsions résiduelles d'orbite fermée, source de perturbation pour les utilisateurs lors des injections répétées toutes les 3 à 4 minutes (injection continue). Des mesures comparatives seront effectuées avec le système classique actuel composé de quatre kickers. Le kicker multipolaire est un élément clef pour l'injection dans les futures sources de lumière de très faible émittance ; un premier exemplaire a été installé et fonctionne en Suède à MAX IV sur l'anneau de 3 GeV. C'est également un élément clef du schéma d'injection proposé pour l'Upgrade de SOLEIL. Les études réalisées durant cette thèse permettront d'évaluer la faisabilité technique du nouveau schéma d'injection longitudinale proposé par le groupe Physique des Accélérateurs (injection hors axe avec une énergie décalée de quelques pour cent). Dans ce cadre le doctorant intégrera le groupe de travail Injection W2 de l'APS. Une deuxième partie, directement liée à la première et qui est primordiale dans le cadre des études à mener pour l'Upgrade, consistera à établir, par des études Monte-Carlo, des profils de perte des électrons le long du futur anneau de stockage lors des injections et par durée de vie afin d'optimiser le nombre et la position de collimateurs pour protéger les équipements de la machine et localiser les pertes dans une zone surblindée. En effet, il est plus efficace de localiser les pertes d'électrons et bloquer le rayonnement à un ou deux endroits de l'anneau que de renforcer tous les murs de blindage du tunnel. Cette étude est particulièrement importante, car les pertes d'électrons par effet Touschek seront bien plus élevées dans le futur anneau de stockage de Soleil que celles d'aujourd'hui ou celles prévues pour l'ESRF-EBS. De l'autre côté, l'étude doit tenir compte du fait que les collimateurs doivent pouvoir absorber une puissance importante du rayonnement synchrotron (1200 W dans le cadre des études menées pour l'ESRF-EBS) et de minimiser l'impact sur le faisceau injecté ainsi que le faisceau stocké. Les résultats de cette étude seront discutées avec le service RP et toutes les données numériques nécessaires leur seront fournies pour évaluer la nécessité ou non de renforcer les blindages radiologiques de Soleil afin de garder la dose à l'extérieur du tunnel inférieure à 0.1mSv/h. Durant son doctorat, le candidat sera confronté à des études théoriques, numériques et expérimentales, à la mise en place d'une nouvelle instrumentation et à sa mise en opération. Le doctorant sera encadré au sein du groupe Physique des Accélérateurs et sera amené à interagir fortement avec plusieurs groupe support de la DAI et le service Radioprotection. Une publication pour chaque partie de la thèse sera soumise dans une revue à comité de lecture.

  • Titre traduit

    New Injection scheme and development of Innovative Tools for beam-based Measurements


  • Résumé

    SOLEIL is the French national synchrotron facility, located on the Saclay Plateau near Paris. It is a multidisciplinary instrument and research laboratory whose mission is to conduct research using synchrotron radiation, to develop cutting-edge instrumentation on the beamlines, and to make these developments available to the scientific community. SOLEIL synchrotron, a unique tool for both academic research and industrial applications across a wide range of disciplines including physics, biology, chemistry, etc., opened in 2008. It is used annually by thousands researchers from France and abroad. SOLEIL is based on a synchrotron source that is state-of-the-art both in terms of brilliance and stability. This large scale facility, a partner of the Université Paris Saclay, is a “publicly owned” private company, founded by the CNRS and the CEA. A Conceptual Design Report has been launched since January 2019 for a major upgrade of the facility producing ultra-low emittance electron beams. Injection and accumulation of the electron beam into a storage ring are going through a revolution. The classical injection scheme based on off-axis injection using four fast kickers and septum magnets is meeting its limitations: it is very challenging if not impossible to reduce the residual beam distortion of the store beam below 10% of the beam sizes, which is otherwise detrimental to users. For this purpose, we have been developing a multipole injection kicker that has been first installed in Sweden in the MAX-IV facility. The first part of this PhD would be to prepare and install a second device in the SOLEIL storage ring by 2020, and then to commission the system, to characterize it with respect to the classical 4 bump injection scheme. A second application would be to test a very innovative scheme of injection using this device synchronized with the radio frequency cavity for off-momentum and off-axis injection. The second part of the PhD work will be devoted to implement new fast measurement to characterize the linear optics of the storage ring. The characterization of the electron beam of the SOLEIL storage ring is of utmost importance in order to guarantee the best beam performance for the 29 beamlines using the facility. It is also fundamental to check and assure that our models are in good agreement with the real accelerator. This leads to the need for much faster beam-based measurements than today. For instance, we would like to be able to measure an orbit response matrix in 1 or 2 minutes when it takes 30 minutes today. It necessitates modifying the control of the corrector magnets, to synchronize the data acquisition of various equipment and to characterize a new type of electronic for the beam position monitors. This will also enable fast measurements of the impact of the linear coupling and the linear optics of various configurations of insertion devices. Another application will be to develop a new application for fast measurement of centers of the quadrupole and sextupole magnets. All of this work will rely on simulations, instrumentation works, and beam-based measure. The proposed thesis studies will deal both with simulation, instrumentation and beam-based measurement.