Dynamique des faisceaux de particules

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 (aimants de courbure ou de focalisation) ou bien générés par la distribution des particules (charge d'espace , effet d'image, champ de sillage, interaction faisceau-faisceau). 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 divers. Sur le plan fondamental, citons la prise en compte de l'interaction avec le gaz résiduel (diffusion, ionisation, compensation de charge d’espace), de l'interaction avec les interfaces solides (cibles, fenêtres, collimateurs), la dynamique des plasmas des sources d'ions, l’optique du faisceau en présence d'éléments électromagnétiques d'ordres élevés (hexapôles, octupôles, cartes de champ), la maîtrise de la formation du halo et des pertes du faisceau pour la maintenance des futurs accélérateurs de puissance (moins de 1 W/m pour des faisceaux de plusieurs mégawatts). Sur un autre plan, il faut citer l'optimisation du coût des systèmes accélérateurs. 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, comme le calcul distribué en grappes.

Transport de particules dans une ligne à basse énergie

L’émittance de la partie à basse énergie d’un accélérateur doit être contrôlée car elle conditionne son fonctionnement à plus haute énergie. Dans le cas des accélérateurs à fort courant comme Iphi, le faisceau extrait de la source doit être conduit en limitant ses pertes ainsi que l’augmentation de son émittance. Le gaz résiduel de la chambre à vide ionise des atomes au passage du faisceau et induit ainsi une compensation partielle de la charge d’espace. Pour faire une simulation plus fine et avoir un meilleur accord avec les mesures expérimentales faites sur la source Silhi, des travaux sont actuellement menés pour améliorer la compréhension des phénomènes physiques intervenant dans la dynamique des faisceaux intenses en régime de compensation de charge d’espace. Ils font l’objet d’une thèse au SACM.

mise en paquet d'un faisceau intense de photons dans un RFQ (RFQ au CERN= 225 ma)

L’étude du système d’extraction des sources comprend plusieurs aspects. Tout d’abord la configuration magnétique de la source, avec des bobines ou des aimants permanents, doit assurer la résonance cyclotronique électronique (ECR), ce qui conduit à optimiser le profil du champ magnétique et l’ajustement longitudinal de la zone ECR. La modélisation du système d’extraction est effectuée en calculant le ménisque d’expansion du plasma et la génération du faisceau à travers un système d’extraction multi- électrodes. Au-delà de la zone d’extraction, le transport du faisceau est simulé dans la ligne de basse énergie avec différents codes développés au SACM consacrés à la simulation de faisceaux d’ions multi-espèces en régime de charge d’espace ou de compensation de charge d’espace, en tenant compte d’un facteur de compensation, constant ou bien local, que l’on confronte à des mesures expérimentales de l’émittance du faisceau dans l’attente d’une description plus fine.

Ces modélisations électromagnétiques couplées au transport du faisceau pour l’étude des faisceaux à basse énergie sont à l’origine de la définition et de l’optimisation de la source de protons H+ Silhi, de la simulation du fonctionnement de Silhi en ions deutons chargés positivement (D+), ainsi qu’à la définition du système d’extraction pour la source de D+ du projet Spiral 2.

Champ magnétique axial de Silhi et modélisation de l’extraction d’un faisceau de protons H+ (simulation effectuée avec le code Axcel développé en Allemagne).

Distribution transverse du faisceau sur la cible du projet Ifmif après homogénéisation de la densité pour minimiser les gradients thermiques.

Dynamique de faisceau dans les linacs à ions de forte puissance

Parmi les laboratoires travaillant sur les accélérateurs linéaires à ions, le SACM a été impliqué dans de nombreux projets. Pour le projet de Source européenne de spallation (ESS), le SACM a conçu le linac des lignes de basse énergie jusqu’à l'injection dans l'anneau (lignes de basse énergie, quadripôles radiofréquences, lignes avec hacheur, partie de moyenne énergie à cavités conventionnelles, ligne funnel , partie de haute énergie à cavités supraconductrices), puis l'anneau de compression, et enfin la définition des tolérances pour la construction du linac. Une étude similaire a été réalisée pour le projet Concert (installation multi- utilisateurs). Le même type de prestation a été fourni pour le projet Ifmif (International fusion materials irradiation facility). Le SACM a réalisé la conception des RFQ (radio frequency quadrupoles), des DTL (drift tube linacs), de la ligne à haute énergie avec homogénéisation de la densité, et a caractérisé les tolérances pour la construction.

Dans le cadre de l'avant-projet sommaire puis de l'avant-projet détaillé de Spiral 2, le laboratoire a joué un rôle essentiel dans la conception du linac et a coordonné les activités de dynamique des faisceaux pour ce projet. L'expertise du SACM en conception et modélisation de RFQ a été sollicitée pour le projet RIA (source de noyaux exotiques pour la physique nucléaire) dans le cadre d'une mission de trois mois dans le laboratoire américain NSCL (National superconducting cyclotron laboratory). Cette collaboration a également permis au SACM de s'illustrer sur la première partie supraconductrice du linac pour des études d'instabilités qui ont validé les choix techniques (4 cavités par cryostats). La modélisation du faisceau à la traversée d'un aimant alpha dans l'accélérateur Elsa (CEA-DAM) a permis d'étoffer la palette des codes de transports du SACM. Pour le projet de collisionneurs pour ions lourds Alice, le SACM est impliqué dans la modélisation du faisceau d'ions multichargés au travers du RFQ. Enfin, des études pour l'adaptation du RFQ d'Iphi aux besoins du SPL (Superconducting proton linac, Cern) pour une usine à neutrinos ont également été menées.

Isodensités dans l’espace des phases à l’entrée du linac supraconducteur de Spiral 2 décrivant la probabilité de perdre une particule dans le linac. On parle de l’acceptance du linac. L’ellipse noire représente le faisceau injecté.

Faisceau de rayonnement synchrotron (rouge) dans la région d’interaction de Tesla. Après collimation, il ne génère plus de paires e+e- (interaction rayonnement/matière) pouvant perturber l'acquisition.

Transport dans les lignes à haute énergie

Le système de focalisation finale du projet de collisionneur linéaire supraconducteur Tesla a été redessiné en intégrant un progrès récent venu du Slac (Stanford linear accelerator center) dans la conception optique de la compensation des aberrations chromatiques qui, en élargissant la tache du faisceau au point de collision, réduisent la luminosité. Cette nouvelle ligne a permis, d’autre part, d’intégrer le vœu des physiciens en charge de la conception du détecteur expérimental d’éloigner de 2 m le doublet final du point d’interaction.

Les contraintes de collimation du faisceau basées sur la libre propagation dans la région d’interaction du rayonnement synchrotron émis dans les quadripôles du doublet final ont été recalculées en prenant en compte, pour la première fois, les déviations en énergie des particules du halo. Ceci a conduit à revoir la collimation des queues en énergie du faisceau et à améliorer la ligne de collimation placée en amont du système de focalisation.

Hadronthérapie. Source de rayonnement synchrotron de 4e génération. Collection de muons pour une usine à neutrinos

Le SACM a participé à l'avant-projet technique (2000-2001) du projet Etoile d'hadronthérapie par ions légers, essentiellement carbone, basé sur un synchrotron (convention tripartite CEA/CNRS/Université Claude Bernard-Lyon). L'UCB-L a demandé début 2003 une expertise des projets allemand Hicat et italien CNAO, lesquels sont maintenant en phase de réalisation. Le but de cette expertise est de fournir les éléments techniques nécessaires pour répondre au cahier des charges d'Etoile.

Une source de rayonnement de 4e génération a été étudiée par le laboratoire. Elle est basée sur un faisceau d'électrons d’une énergie de l'ordre du gigaélectronvolt produit par un accélérateur linéaire supraconducteur ; elle fournit du rayonnement stimulé ou spontané. Cette perspective de source nouvelle a fait l'objet d'une évaluation poussée dans le cadre d'un comité de la Direction des sciences de la matière du CEA, et a conduit au projet Arc-en-Ciel.

Le projet d'usine à neutrinos NuFact vise à produire des faisceaux de haut flux suffisamment collimatés, tirés en direction de grands détecteurs distants de centaines ou de milliers de kilomètres, à partir d'un anneau de stockage de muons à haute énergie. Le SACM collabore aux études de l’accélérateur dans le cadre de l’European Neutrino Group sur les questions de la collecte et de l'accélération des muons.

#514 - Màj : 11/01/2006

Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme

Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Transport de particules dans une ligne à basse énergie

Dynamique de faisceau dans les linacs à ions de forte puissance

Transport dans les lignes à haute énergie

Hadronthérapie. Source de rayonnement synchrotron de 4e génération. Collection de muons pour une usine à neutrinos