Abstract (en):
The fast decay of the muon represents the principal challenge for a muon collider. A chain of rapid-cycling synchrotrons is the baseline of the high-energy complex to provide the fast acceleration needed to minimize decay losses and achieve high luminosity. In this chain, hybrid synchrotrons, in which fixed-field superconducting dipoles are interleaved with fast-ramped normal-conducting dipoles, follow conventional synchrotrons. In this thesis, the geometry of hybrid synchrotrons was studied analytically and benchmarked numerically, and scaling laws were derived to support the optimization of the accelerator geometry. The first optics designs for the synchrotron chain were then developed. Several lattice concepts were investigated, including conventional FODO cells with pulsed quadrupoles, hybrid FODO cells combining pulsed and fixed-field quadrupoles, and combined-function lattices. A key challenge arose from the large beam energy spread, which drives significant aperture requirements that are further increased by orbit excursion in hybrid synchrotrons. Another major challenge for the synchrotron chain is the extremely rapid acceleration, which creates a discrepancy between the stepwise increase in beam energy and the linear ramp in the magnetic fields of the dipoles and quadrupoles. An analytical model was developed and benchmarked against numerical simulations to assess the resulting orbit distortions and optics perturbations. Tracking simulations were performed to quantify the impact of these effects on transverse stability and beam quality and to establish requirements for more distributed RF insertions.
Abstract (fr):
La désintégration rapide du muon constitue le principal défi d’un collisionneur de muons. Le schéma de référence retenu pour le complexe haute-énergie est une chaîne de synchrotrons pulsés, permettant l’accélération nécessaire pour minimiser les pertes par décroissance et atteindre une luminosité élevée. Dans cette chaîne, des synchrotrons hybrides, dans lesquels des dipôles supraconducteurs à champ fixe sont combinés avec des dipôles pulsés à conduction normale, suivent des synchrotrons conventionnels. Dans cette thèse, la géométrie des synchrotrons hybrides a été étudiée analytiquement puis validée numériquement, et des lois d’échelle ont été dérivées afin de guider l’optimisation de leur géométrie. Les premières optiques de la chaîne de synchrotrons ont ensuite été développées. Plusieurs concepts de mailles ont été étudiés, notamment des cellules FODO conventionnelles avec quadrupôles pulsés, des cellules FODO hybrides combinant des quadrupôles pulsés et à champ fixe, ainsi que des mailles à fonctions combinées. L’un des principaux défis provient de la grande dispersion en énergie du faisceau, qui impose des ouvertures importantes dans les aimants, encore accrues dans les synchrotrons hybrides par l’excursion d’orbite. Un autre défi majeur de la chaîne de synchrotrons réside dans l’accélération extrêmement rapide, qui induit un écart entre la rampe par paliers de l’énergie du faisceau et la rampe linéaire des dipôles et quadrupôles. Un modèle analytique a été développé puis comparé à des simulations afin d’évaluer les distorsions d’orbite et les perturbations optiques qui en résultent. Des études de transport ont permis de quantifier l’impact de cet effet sur la qualité du faisceau et d’établir des exigences sur la distribution du système RF.
LEDA