Etude et optimisation d'un linac à tubes de glissement pour acceleration de forts courants de protons en continu

Study and optimisation of a continuous wave drift tube linac for high intensity proton beam acceleration

• Auteur / Autrice : Pierre-Emmanuel Bernaudin
• Direction : Joël Le Duff
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés libres

@Accelerateur de particules

@Cavité résonante

Résumé

Les accélérateurs de protons de forte intensité posent des problèmes spécifiques liés à la nécessité de limiter les pertes de faisceau. Le problème est plus aigu dans la partie basse énergie (20 MeV et moins) où le transport du faisceau est le plus difficile. L'accélérateur linéaire à tubes de glissement (DTL) reste la structure de référence pour des énergies de quelques MeV à quelques dizaines de MeV, malgré l'apparition de nouveaux types de cavités. L'objectif de cette thèse est la conception d'un tel DTL pour un accélérateur de protons de forte intensité. A ce jour, aucun fonctionnant en continu n'a jamais été mis en service. Afin de s'assurer de la viabilité d'un tel accélérateur, un prototype court à quatre cellules, représentatif d'une machine complète sauf pour sa longueur, est conçu, fabriqué et testé dans les conditions de puissance RF nominales. La conception est rendue complexe par la combinaison de contraintes liées à l'électromagnétisme (HF), à la thermique, à la mécanique, à l'ultravide et aux contraintes de réalisation. En particulier, les problèmes d'alignement des électroaimants sont un facteur crucial, et la fiabilité, aspect généralement secondaire dans le domaine des accélérateurs, est ici primordiale en raison des applications industrielles potentielles. La conception de cette cavité comprend, en plus de l'enceinte elle-même, celle des électroaimants quadripolaires, dont la faisabilité est un facteur limitant compte tenu de la faiblesse de l'espace disponible. Deux modèles d'aimants et les tubes de glissement associés sont ainsi étudiés et fabriqués pour test dans la cavité prototype. La partie expérimentale se focalise sur les aspects mécaniques et thermiques, ainsi que sur la vérification des propriétés électromagnétiques de la cavité. En conclusion de cette thèse, des perspectives d'améliorations techniques et conceptuelles issues de l'expérience acquise lors de la réalisation et des essais sont suggérées, dans l'optique d'une cavité complète.

High intensity proton accelerators lead to specific problems related to the need to limit beam losses. The problem is more acute in the low energy part (up to 20 MeV) where the beam transport is the most difficult. The drift tube linac (DTL) remains the reference structure for energies of a few MeV to a few dozens MeV despite the arising of some new cavity types. This thesis' purpose is to design such a DTL for a high intensity proton accelerator. Until now, no such continuous wave cavity has ever been operated. To ensure the viability of such an accelerator, a short four cells prototype is designed, built and tested under nominal RF conditions. This prototype is fully representative of a complete machine except for its length. The design complexity comes from the combination of RF electromagnetism, thermal exchanges, mechanics, ultra-vacuum engineering and manufacturing constraints. More specifically, the electromagnets' alignment is a primary factor, and reliability, despite being usually of secondary importance in particles accelerator science, is here a major concern considering potential industrial applications of this machine. The prototype design includes the cavity itself, but also quadrupole electromagnets whose feasibility is a limiting factor, considering the very small space available to them. Two different magnet types and associated drift tubes are studied and manufactured, to be tested in the prototype cavity. The experimental part is focused on mechanical and thermal aspects. The electromagnetic properties of the cavity are also checked. As a conclusion of this thesis, technical and conceptual improvements as suggested by the manufacturing and experimental phases are presented, to be implemented in a complete cavity.