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Phénoménologie de la charge de faisceau dans les accélérateurs de particules et étude de l'un de ses remèdes

ETUDE THEORIQUE ET EXPERIMENTALE DU HALO D'UN FAISCEAU INTENSE DE PARTICULES CHARGEES DANS UN ACCELERATEUR

L'UN DES DEFIS DANS LES ACCELERATEURS DE FAISCEAUX INTENSES DE PARTICULES EST LA MAITRISE DES PERTES DANS LES PAROIS DE LA CHAMBRE A VIDE. CES PERTES, MEME SI ELLES NE CONCERNENT QU'UNE INFIME FRACTION DU FAISCEAU (10#-#4-10#-#7), PEUVENT ETRE SUFFISANTES POUR COMPLIQUER GRANDEMENT LA MAINTENANCE DE TELS ACCELERATEURS. LA FORMATION DE HALO AUTOUR DU CUR DU FAISCEAU EST A L'ORIGINE DE CES PERTES. L'OBJET DE CETTE THESE EST LE RECENSEMENT ET L'ETUDE THEORIQUE ET EXPERIMENTALE DE TOUS LES PHENOMENES PHYSIQUES POUVANT ETRE A L'ORIGINE DE LA FORMATION DU HALO D'UN FAISCEAU INTENSE DANS UN ACCELERATEUR DE PARTICULES. APRES AVOIR INTRODUIT LES NOTIONS DE BASE SUR LA DYNAMIQUE DE FAISCEAU EN CHARGE D'ESPACE, NOTIONS ESSENTIELLES POUR UNE BONNE COMPREHENSION DE L'ETUDE DU HALO (CHAPITRE I), JE PRESENTE LES METHODES EXPERIMENTALES, DEDIEES A LA MESURE DU HALO, QUE NOUS AVONS DEVELOPPEES ET UTILISEES AFIN DE MESURER LE PROFIL ET LA DISTRIBUTION DU FAISCEAU DANS L'ESPACE DES PHASES SUR UNE GRANDE DYNAMIQUE (CHAPITRE II). LES EFFETS 1) DE LA DESADAPTATION D'UN FAISCEAU (CHAPITRE III), 2) DE LA RELAXATION DU FAISCEAU VERS UN ETAT D'EQUILIBRE (CHAPITRE IV), 3) DES INTERACTIONS RESONANTES ENTRE LES PARTICULES ET LES MOUVEMENTS COLLECTIFS DU FAISCEAU (CHAPITRE V), 4) DE LE DIFFUSION DU FAISCEAU SUR LE GAZ RESIDUEL DE L'ACCELERATEUR (CHAPITRE VI), ONT ETE ETUDIES TOUR A TOUR D'ABORD ANALYTIQUEMENT, PUIS NUMERIQUEMENT ET ENFIN, POUR LA PLUPART, EXPERIMENTALEMENT. CERTAINS AUTRES EFFETS TELS LE DESALIGNEMENT DU FAISCEAU, LE DECROCHAGE EN PHASE DE CERTAINES PARTICULES D'UN FAISCEAU GROUPE, ET LA COMPENSATION DE CHARGE D'ESPACE ONT ETE PLUS SUCCINCTEMENT ETUDIES (CHAPITRE VII).

Etude des effets transitoires de la compensation de charge d'espace sur la dynamique d'un faisceau intense

L'un des défis dans la réalisation des accélérateurs d'ions est la maîtrise de la dynamique des faisceaux intenses à basse énergie. Cette dynamique est dominée par des effets non linéaires du champ de Charge d'Espace (CE). Ce champ est une source de formation d'un halo pouvant induire des pertes le long du transport. Une fois ionisé par le faisceau, le gaz résiduel, diffusé par la source et produit par la désorption des parois internes de l'accélérateur, contribue à la production d'électrons et d'ions. Suivant leur signe de charge par rapport au faisceau, ces particules seront repoussées ou confinées. L'accumulation de particules dans le faisceau contribue à la compensation du champ de CE. Cette neutralisation entraîne cependant de nouvelles non linéarités variables dans le temps. Cette thèse présente des travaux expérimentaux et de modélisation de la compensation de CE pour des faisceaux d'ions (H + ou H -). La dynamique de ces faisceaux est modélisée par un nouveau code PIC, CARTAGO, assurant le couplage entre le plasma créé et ces faisceaux. Une étude mono particulaire introduit la dynamique du plasma en présence du champ de CE et d'un champ magnétique extérieur. La modélisation de la compensation avec la version 1D du code a permis de donner les temps d'établissement et les degrés de compensation pour plusieurs cas de faisceaux et différentes pressions de gaz. La compensation d'un faisceau de protons a été étudiée plus particulièrement dans la ligne basse énergie de l'Injecteur de Protons de Haute Intensité (IPHI) de Saclay. Des confrontations expérimentales des résultats de modélisation 2D (r,z) dans une partie de cette ligne sont aussi détaillées.