Etude d'effets collectifs dans les anneaux de l'emittance ultra-faible

par Watanyu Foosang

Projet de thèse en Physique des accélérateurs

Sous la direction de Ryutaro Nagaoka.

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 Synchotron SOLEIL - Division Accélérateurs et ingénierie (laboratoire) , synchotron-soleil (equipe de recherche) et de Faculté des sciences d'Orsay (référent) depuis le 01-10-2020 .


  • Résumé

    Le synchrotron SOLEIL est une source de lumière de 3ème génération qui produit des rayons X à partir d'un anneau de stockage d'électrons depuis 2006. La brillance des rayons X produits est inversement proportionnelle à l'émittance du faisceau d'électrons stocké et directement proportionnelle à l'intensité du faisceau. Un principe nouveau, d'anneau ultra-faible émittance a récemment été démontré expérimentalement sur l'anneau MAX IV, en Suède. Une grande partie des synchrotrons de 3ème génération envisage en ce moment de remplacer leur anneau actuel par ce nouveau type d'anneau pouvant apporter des performances 10 à 100 fois supérieures en termes de brillance. Cependant les performances de ces nouveaux anneaux pourraient être limitées par l'interaction du faisceau avec lui-même et avec son environnement. Ces phénomènes, dont l'impact augmente avec l'intensité du faisceau, sont appelées effets collectifs. Pour atteindre une émittance ultra-faible, des aimants à très forts champs magnétiques seront nécessaires, ce qui demande une réduction importante des dimensions de la chambre à vide du faisceau et va par là-même renforcer l'impact de ces effets collectifs. Les perturbations induites peuvent provoquer l'échauffement de la chambre à vide, la dégradation du vide et des propriétés du faisceau et des instabilités du faisceau qui pouvant sévèrement limiter le courant total. La thèse proposée s'inscrit dans le cadre des études sur la refonte totale de l'anneau de stockage de SOLEIL. Une partie de la thèse sera consacrée à l'étude des phénomènes d'impédance résistive et géométrique. L'impédance d'une chambre à vide de faible rayon, avec ou sans dépôt NEG, sera étudiée pour déterminer quel est son impact sur le faisceau. En parallèle, la différence observée entre les budgets d'impédance simulés et mesurés dans les anneaux de stockage de 3ème génération sera investiguée. Pour ce faire, plusieurs pistes seront étudiées comme les effets d'interférences entre composants adjacents et la sensibilité des calculs d'impédance aux erreurs mécaniques. Cette partie inclura donc des simulations électromagnétiques avec des codes commerciaux (type CST ou GdfidL) et des calculs analytiques. Une seconde partie concernera l'étude globale de la stabilité du faisceau par rapport aux différents effets collectifs en présence d'une cavité harmonique. Une cavité harmonique permet de contrôler la longueur des paquets d'électrons et d'influer fortement sur les effets collectifs. Cependant, dans certains cas, celle-ci peut aussi induire des instabilités. L'étudiant devra étudier plusieurs type d'instabilités potentiellement dangereuses pour les anneaux de faible émittance comme l'instabilité de la paroi-résistive, la TMCI (transverse mode coupling instability), l'instabilité tête-queue et l'instabilité micro-onde. L'impact d'une cavité harmonique pour l'atténuation de ces instabilités sera aussi examiné. Dans ce but, l'étudiant participera au développement du code mbtrack, simulant la dynamique faisceau multi-paquet par « tracking » dans les synchrotrons. Une validation expérimentale du code mbtrack sur l'anneau actuel de SOLEIL est aussi envisagée. Selon le profil de l'étudiant, la participation à la création d'un code résolvant l'équation de Vlasov-Fokker-Planck pour simuler la dynamique est aussi possible.

  • Titre traduit

    Study of collective effects in ultra-low emittance storage rings


  • Résumé

    The SOLEIL synchrotron is a third-generation light source which produces X-rays from an electron storage ring since 2006. The brightness of the X-rays produced is inversely proportional to the emittance of the electron beam stored and directly proportional to the intensity of the beam. A new, ultra-low-emittance ring principle has recently been demonstrated experimentally at MAX IV, Sweden. A large part of the 3rd generation synchrotrons are currently considering replacing their current ring with this new type of ring, which could improve performances by a factor 10 to 100 in terms of brillance. However, the performance of these new rings could be limited by the interaction of the beam with itself and with its surroundings. These phenomena, whose impact increases with beam current, are called collective effects. To reach an ultra-low emittance, very strong magnets will be needed, which requires a significant reduction of the vacuum chamber dimensions that will enhance the impact of these collective effects. Induced perturbations can cause lead to overheating of the vacuum chamber components, to degradation of the beam properties and to beam instabilities, all of which can limit the total beam intensity. The proposed thesis deals with the impacts of the ultra-low emittance storage ring design on collective effects. A first specificity of ultra-low emittance storage rings is the effect of the reduced beam pipe aperture which strongly enhances the machine resistive wall impedance. The student will study several potentially dangerous instabilities for low emittance rings such as the resistive wall instability, TMCI (transverse mode coupling instability) and head-tail instability. For this purpose, the student will participate in the development of the in-house parallel tracking code, which simulates the multi-bunch beam dynamic with collective effects in synchrotrons. The student will then have to design set up several experiments in order to validate the code experimentally on the current SOLEIL ring during dedicated runs. The aim is to make sure that the code can predict accurately several observables like the coherent tune shift and the instability threshold. Because of the very low emittance of these new rings, a harmonic cavity is needed to lengthen the bunches and increase the beam lifetime. A harmonic cavity allows controlling the bunch length of the beam and strongly influences the collective effects, however, in some cases, it can also induce instabilities. The impact of a harmonic cavity for the mitigation of instabilities will also be examined by simulations with the multi-bunch code. The simulation results will be benchmarked against a code solving the Vlasov equation in presence of harmonic cavities.