La dynamique des faisceaux peut se définir comme l’étude du mouvement d’un grand nombre de particules chargées dans des champs électromagnétiques statiques ou non. Ces champs peuvent être externes ou bien engendrés par la distribution des particules. À haute énergie l’effet du rayonnement synchrotron doit également être considéré. Une fois l’optique de transport définie en fonction du cahier des charges de l’accélérateur ou de la ligne de transfert, les défis à relever pour une modélisation fidèle de la dynamique du faisceau sont divers. Sur le plan fondamental, citons la prise en compte des phénomènes suivants : 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’ordres élevés (sextupôles, 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 méthodes numériques utilisant au mieux les ressources informatiques.
Simulation du faisceau dans les sources à résonance cyclotronique électronique
Le CEA et le CNRS collaborent depuis de nombreuses années dans le domaine des accélérateurs à fort courant, notamment par la construction d’un démonstrateur de basse énergie, l'injecteur de protons à haute intensité Iphi, et également aux projets Spiral 2 au Ganil qui nécessite un faisceau de deutons, Fair à GSI, ESS et les réacteurs hybrides qui utilisent des protons. Enfin le projet Ifmif-Eveda requiert un faisceau de deutons d’intensité inégalée.
Chacun de ces projets demande une source d'ions performante et fiable dont le SACM maîtrise la conception et la construction. La modélisation du système d’extraction des particules de la source est effectuée en calculant le ménisque d’expansion du plasma et la génération du faisceau à travers un système d’extraction multi-électrodes.
Distribution transverse au plan final de détection du spectromètre S3 du projet Spiral 2. On observe la séparation de trois isotopes d'un élément super-lourd (Z = 116 et A = 291, 292, 293), avec cinq états de charge. Chaque groupe de taches représente les trois isotopes pour un état de charge. Le calcul utilise la géométrie de S3 avec des cartes de champ 3D pour tous les éléments, dont l’aimant Mosar.
Carte de potentiel de charge d'espace dans la ligne à basse énergie du linac à proton Fair. L'abscisse z = 0 correspond à l'extraction de la source ECR. La zone non compensée en charge d'espace (potentiel ~ 500V) aux abscisses supérieures à 2,2 m correspond à l'injection du faisceau dans le RFQ.
Transport de particules dans une ligne à basse énergie
Le rôle de la ligne à basse énergie d'un accélérateur est de transporter le faisceau depuis l'extraction de la source d'ions jusqu’à son injection optimisée dans les sections accélératrices. Dans le cas des accélérateurs à haute intensité comme Ifmif ou Iphi, l'enjeu principal est de réaliser le transport du faisceau en limitant les pertes et la dégradation de l’émittance.
La dynamique de ces faisceaux intenses est dominée par des effets non linéaires du champ de charge d'espace. Dans une ligne à basse énergie, le faisceau induit l'ionisation des atomes du gaz résiduel de la chambre à vide, ce qui entraine une compensation partielle de la charge d’espace. Le code de calcul SolMaxP, développé au SACM, permet la simulation du transport de faisceaux en régime de compensation de charge d’espace.
Les codes SolMaxP et TraceWin ont été utilisés conjointement pour la conception et l'optimisation de la ligne à basse énergie de l'accélérateur de deutons Ifmif et pour les études préliminaires de la ligne à basse énergie du linac à protons de Fair. Dans les deux cas, le faisceau est focalisé par deux solénoïdes et la ligne de faisceau a été conçue aussi compacte que possible (environ 2 m) afin de limiter l'augmentation de l’émittance. Les caractéristiques du faisceau de la source Silhi (profil, émittance, taux de neutralisation) ont été mesurées dans le but de disposer de données expérimentales pour valider le code SolMaxP.
Transport de particules dans les parties à moyenne et à haute énergie
Au delà du RFQ (quadripôle radiofréquence), le contrôle des pertes de faisceau devient essentiel pour éviter toute dissipation de puissance dans les sections cryogéniques et toute activation des structures. Le défi des machines à haute intensité, dont la puissance du faisceau peut aller jusqu’à plusieurs mégawatts, est d’atteindre les précisions de calcul permettant d’estimer des probabilités de pertes très faibles, souvent bien inférieures au watt. Le SACM a porté son effort sur le développement de codes de simulation capables, d’une part, de définir les accélérateurs les plus performants et, d’autre part, de mener des simulations prenant en compte une description aussi réaliste que possible de l’accélérateur ainsi que des erreurs de réglage et de construction. Des études de fiabilité doivent aussi permettre d’évaluer les effets d’une défaillance d’un ou de plusieurs éléments de l’accélérateur et naturellement les moyens d’en corriger les conséquences.
Le SACM est impliqué dans de nombreux projets mettant en œuvre l’ensemble de ces compétences, citons Ifmif, Beta-beams, Eurotrans, Eurisol, Linac 4, SPL, ESS, Spiral 2, ILC et S3 pour les principaux.
Composante verticale de la trajectoire centrale du faisceau dans la région d’interaction de l’ILC, après correction des effets du solénoïde et de l’anti-DID (Detector integrated dipole), dans le cas du détecteur SiD (Silicon detector) et ILD (International large detector). Le point d’interaction est situé à z = 0.
Valorisation des logiciels pour le transport de faisceau
Depuis 1995, un ensemble de logiciels d’aide à la conception et de simulation de transport de faisceau a été développé au SACM. Depuis 2000, cet ensemble de logiciels est distribué dans de nombreux laboratoires français et internationaux. Aujourd’hui, la majorité des études d’accélérateurs de haute intensité est menée avec ces codes. De plus, leur prédictibilité a été vérifiée à l'aide de confrontations expérimentales à SNS aux USA, J-Parc au Japon et GSI en Allemagne. Cette suite logicielle professionnelle est maintenant diffusée sous licence CEA. Un site internet (http://irfu.cea.fr/Sacm/logiciels/index.php) pour le téléchargement et la promotion via les moteurs de recherche internet a été créé. L’achat de la licence d’utilisation donne accès à l’assistance en ligne.
• Physique et technologie des accélérateurs › Instrumentations et développements pour les accélérateurs
• Le Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme (DACM)
• Laboratoire d’'études et de développements pour les accélérateurs (Léda)
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Dernière mise à jour : 20-11-2024
