Dynamique des faisceaux de particules

Illustration du couplage onde-plasma à la résonance ECR. La composante azimutale du champ électrique est représentée en niveau de couleurs. La simulation est réalisée en régime axisymétrique suivant l’axe z. En l’absence de plasma, l’onde est plane suivant z. La figure met en évidence le couplage onde-plasma.

La dynamique des faisceaux peut se définir comme l’étude du mouvement de particules chargées dans des champs électromagnétiques statiques ou dépendant du temps. Ces champs peuvent être externes ou bien générés par la distribution des particules. Pour les électrons, l’effet du rayonnement synchrotron doit être considéré. Les défis à relever pour une modélisation fidèle de la dynamique du faisceau sont nombreux et divers. Sur le plan fondamental, l’interaction avec le gaz résiduel, l’interaction avec les interfaces solides, la dynamique des plasmas des sources d’ions, l’optique du faisceau en présence d’éléments électromagnétiques d’ordre élevé (hexapôles, octupôles), la maîtrise de la formation du halo et des pertes du faisceau pour la maintenance des futurs accélérateurs de puissance. Ces défis nécessitent la mise au point de modèles analytiques et le développement de codes de calcul et de méthodes numériques utilisant au mieux les ressources informatiques. Les confrontations expérimentales permettent ensuite de valider et d’améliorer les modèles utilisés.

 

SIMULATION DU FAISCEAU DANS LES SOURCES À RÉSONANCE CYCLOTRONIQUE ÉLECTRONIQUE

Le Service développe des sources ECR (Electron Cyclotron Resonance) d’ions légers depuis les années 90, principalement pour des accélérateurs. Notre premier modèle d’ECR, la source Silhi, est capable de générer jusqu’à 100 mA de protons ou de deutons. Depuis, différentes sources ont été construites selon les besoins des projets (Spiral2 à Ganil, Fair à GSI, Ifmif-LIPAc à Rokkasho). Ainsi, une grande variété de paramètres ont été explorés avec des courants extraits allant de 5 mA à 140 mA, des énergies de faisceau allant de 20 keV à 100 keV, en continu ou en pulsé, avec différentes configurations magnétiques (bobines ou aimants permanents). L’optimisation des sources ECR est un point clé et beaucoup d’efforts ont été déployés pour rendre les sources plus compactes, moins chères et plus performantes. La source d’ions Alises a été développée dans ce but. L’influence de différents paramètres comme le rayon ou la longueur de la chambre plasma a été étudiée, donnant au SACM une expertise reconnue dans ce domaine. En parallèle, l’étude de telles sources en termes de modélisation et de simulations est un sujet important. Cela a permis de comprendre des problèmes observés expérimentalement et donc d’améliorer l’efficacité des sources ECR. Cependant, les outils actuels présentent encore des limites et des zones d’ombre demeurent sur la compréhension de certains phénomènes comme l’influence du rayon de la chambre plasma. La modélisation de la chambre plasma reste délicate du fait de la neutralité du milieu, du fort couplage onde-plasma, des collisions dans le plasma et des conditions aux limites (extraction du faisceau). C’est pourquoi nous avons commencé un programme de R&D sur la modélisation de la dynamique du plasma, en partenariat avec l’entreprise Pantechnik.

 

Compensation de la charge d'espace dans la ligne Be Myrte.

TRANSPORT DE PARTICULES DANS LES LIGNES À BASSE ÉNERGIE

L’un des défis actuels des accélérateurs de haute intensité (puissance faisceau de l’ordre du MégaWatt) est la dynamique du transport des faisceaux dans les lignes de basse énergie (LBE). Cette dynamique est dominée par le champ de charge d’espace (un champ électromagnétique auto-induit par le faisceau) qui est en général non linéaire et peut induire des phénomènes de halo, de grossissement d’émittance et de pertes de faisceau. Heureusement, un faisceau se propageant dans une ligne à basse énergie provoque l’ionisation du gaz résiduel présent dans celle-ci. Les particules secondaires ainsi créées (électrons ou ions) possédant une charge opposée aux ions du faisceau vont alors compenser les effets de charge d’espace. Cependant la compensation de charge d’espace d’un faisceau n’est que partielle, elle n’est pas homogène dans l’espace et de plus, elle dépend du temps (présence d’un régime transitoire avant l’établissement d’un état d’équilibre). Afin d'améliorer la compréhension du phénomène de compensation de charge d'espace il est nécessaire de réaliser des simulations numériques auto-consistantes, à l'aide de codes de calculs dédiées, comme le code WARP. Des campagnes expérimentales sont également menées afin de disposer de données pour valider les résultats des modélisations numériques. Ainsi, des mesures des caractéristiques du faisceau des lignes basse énergie des accélérateurs linéaires de Myrrha du programme H2020 (voir simulation de la ligne BE ci-dessus), d'Ifmif-Lipac et du banc de test BETSI ont été réalisées pour différentes conditions expérimentales (type de gaz, pression, focalisation). L'ensemble de ces activités est effectué dans le cadre d'une thèse qui a débuté en novembre 2014.

 

TRANSPORT DE PARTICULES DANS LES PARTIES MOYENNE ET HAUTE ÉNERGIE

Au-delà du RFQ, les problèmes liés à la charge d’espace sont plus réduits mais le contrôle des niveaux de pertes du faisceau devient essentiel, pour des questions de puissance dissipée dans les parties cryostatiques et d’activation des structures. Le défi dans les machines de haute puissance, parfois de plusieurs mégawatts, est d’atteindre les précisions de calcul nécessaires permettant d’estimer des probabilités de pertes très faibles, souvent bien inférieures au watt (voir graph ci-contre). Le Service a intensifié son effort de développement de codes de simulation capables d’une part de définir les machines les plus performantes possible et d’autre part de mener des simulations massives prenant en compte une description aussi réaliste que possible de l’accélérateur, en tenant compte des erreurs de réglage et de construction. Des études de fiabilité doivent aussi permettre d’évaluer les effets d’une défaillance d’un ou plusieurs éléments de l’accélérateur et éventuellement les moyens d’en réduire les conséquences. Le SACM est impliqué dans de nombreux projets mettant en oeuvre l’ensemble de ces compétences, citons Ifmif, Beta-Beams, Myrrha, Eurisol, Linac4, SPL, ESS, Spiral2, ILC, S3 pour les principaux.

 

Distribution longitudinale à la sortie du RFQ de l’accélérateur Ifmif réalisée dans le cadre d’une simulation visant à simuler l’accélérateur avec le nombre réel de particules présentes dans un paquet, soit 4,7 109 particules. Une telle simulation a nécessité 170 processeurs durant 2 semaines et a demandé un espace de stockage de 40 téraoctets. On y voit en particulier la distribution des particules présentant un fort écart d’énergie c’est-à-dire décrochées du cœur, difficilement mises en évidence avec des simulations plus classiques.

ACCÉLÉRATION LASER-PLASMA

L’accélération plasma permet d’atteindre des gradients allant jusqu'à 100 GV/m sur des longueurs allant du millimètre au mètre selon les caractéristiques du laser utilisé. Des faisceaux d’électrons de plusieurs centaines de MeV peuvent alors être créés avec une source de quelques centimètres. Néanmoins, la qualité du faisceau en termes de charge, de spectre en énergie ou d’émittance ne permet pas à l’heure actuelle de l’utiliser pour un collisionneur. C’est pourquoi une forte R&D est exercée dans ce domaine afin d’améliorer les propriétés du faisceau. Depuis quelques années, nous sommes impliqués dans le programme Cilex (Complexe Interdisciplinaire de Lumière Extrême), situé au CEA Orme des merisiers sur le plateau de Saclay et réunissant un grand nombre de partenaires de l’Université Paris-Saclay. Ce projet vise à créer un complexe autour d’un laser de 10 PW (un des plus puissants au monde) et d’un ensemble d’autres lasers. Nous participons à la réalisation de la ligne de transfert entre les 2 étages accélérateurs, qui permettra de mettre en évidence la possibilité d’une accélération multi-étages. Comme première pierre apportée à l’édifice, le SACM est également impliqué dans le projet Dactomus, une étape préparatoire pour développer l’injecteur. Le Service a participé à la mise en œuvre d’une ligne de caractérisation de la source d’électrons Elisa (divergence et spectre en énergie) sur le laser UHI100, un laser de proximité situé au CEA de Saclay. Enfin, nous sommes impliqués dans le projet européen H2020 EuPRAXIA, qui est une étude de design pour la création d’un accélérateur compact basé sur la technologie plasma. Le SACM participera à la fois à la simulation de l’accélération dans la chambre plasma et à l’étude des lignes de transfert des électrons entre les différents étages accélérateurs.

 

 

« UPGRADE » DU LHC

le cadre du projet HiLumi LHC, nous contribuons aux études de dynamique faisceau, entreprises pour augmenter d'un facteur 5 la luminosité du LHC à l’horizon 2020. Grâce à l’approche dite « Achromatic Telescopic Squeezing » développée par S. Fartoukh du Cern, cette amélioration ne modifiera que deux régions d’interactions. Les quadripôles des triplets de focalisation finale, actuellement en technologie NbTi, devront être remplacés par des quadripôles utilisant la technologie Nb3Sn. Elle nécessitera, aussi, l’utilisation de cavités radio fréquence, « crab cavity », à même de diminuer l’effet de l’angle de croisement des faisceaux sur la luminosité. Le SACM participe à la définition de la maille et a proposé une structure permettant de réduire de 25 % la tension requise pour les « crab cavities ». Nous sommes aussi impliqués dans les études de définition des tolérances pour les nouveaux éléments, reliées à la stabilité à long terme du faisceau.

 

 

Maj : 19/07/2017 (3316)

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