Source intence de positrons utilisant l'effet de canalisation dans les cristaux

Intense source of positrons using channeling effect in crystals

• Auteur / Autrice : Chenghai Xu
• Direction : Fabian Zomer, Guoxi Pei
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/05/2012
• Etablissement(s) : Paris 11 en cotutelle avec University of Chinese academy of sciences
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Noyaux, Cosmos (Paris ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'accélérateur linéaire (Orsay, Essonne ; 1969-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Institut : Institute of high energy physics (Chine)
• Jury : Président / Présidente : Jie Gao
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabian Zomer, Guoxi Pei, Jie Gao, Alessandro Variola, Robert Chehab, Chuangxiang Tang, Kexin Liu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alessandro Variola

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristaux

Canalisation (physique)

Positons

Mots clés libres

Source de positrons

Canalisation des électrons dans les cristaux

ILC (International Linear Collider)

Cible granulaire

Positron source

Channeling effect

Crystal

ILC

Granular target

Résumé

Le travail développé dans cette thèse concerne un type particulier de sources de positrons utilisant le rayonnement de canalisation dans un cristal ainsi que d’autres effets cristallins observes le long des axes du cristal ; ces effets produisent un grand nombre de photons qui, à leur tour, génèrent un grand nombre de paires e+e- dans une cible amorphe. Les photons et les paires sont créés dans deux cibles différentes séparées par une certaine distance permettant l’installation d’un aimant pour dévier les particules chargées avant la cible amorphe. Une telle source est appelée source hybride de positrons ; elle a été choisie par le CERN pour le projet CLIC. Ce type de sources présente de réels avantages par rapport aux cibles conventionnelles qui ont une grande emittance ainsi qu’un niveau important de dépôt d’énergie dans la cible.Apres un rappel des phénomènes physiques qui concernent notre étude, des simulations détaillées utilisant d’une part le programme de V .Strakhovenko pour les effets cristallins et d’autre part le code GEANT4 pour la génération des positrons conduisent à une description complète pour les photons et les positrons avec, notamment, les espaces de phase longitudinal et transverse, le spectre en énergie, la distribution temporelle,.. Nous avons particulièrement insiste sur deux points : d’abord sur les dispositifs de capture des positrons -après la cible- qui sont essentiels pour avoir de bons rendements de positrons acceptes et ensuite sur la densité de l’énergie déposée dans la cible qui représente un paramètre important pour la survie des cibles. En ce qui concerne le premier point, trois dispositifs de capture ont été étudiés : le système adiabatique (AMD), le système quart d’onde (QWT) et la lentille de lithium. Pour le deuxième point qui concerne l’énergie déposée et l’échauffement de la cible, on a cherché à optimiser la densité d’énergie déposée en diminuant son maximum (PEDD) ; l’énergie moyenne déposée a aussi été optimisée en utilisant une solution spéciale pour le convertisseur : un convertisseur granulaire forme de petites sphères, comme cela avait été considéré précédemment pour les usines à neutrinos. Des résultats très prometteurs nous ont conduits à envisager la source hybride de positrons avec un convertisseur granulaire comme une solution au difficile problème d’ILC. Cette solution est étudiée moyennant une transformation des impulsions du faisceau avant la cible, comme cela avait été envisage par l’équipe du KEK. Le transport du faisceau de positrons au-delà du solénoïde a été étudié avec la première partie de l’optique quadrupolaire.

The research work carried out for this PhD is concerning a special kind of positron source using channeling radiation and other crystal effects in an axially oriented crystal to generate a high number of photons which create, subsequently, a large number of pairs in an amorphous target. Photon generation and pair creation are developing in two targets separated by some distance allowing a sweeping magnet to get off the charged particles away from the amorphous converter. Such a scheme is called an hybrid positron source and has been adopted for the CLIC baseline. This kind of sources present big advantages with respect to the conventional sources where large emittance and important heat deposition are met. After some recall on the physical phenomena of interest for our study, detailed simulations are worked out using a special program dealing with crystal effects from Prof. Strakhovenko and the GEANT4 code; these tools led to a complete description of the positron source concerning the photons from one side and the positrons, from the other side, for which the main characteristics have been determined: transverse and longitudinal phase space, energy spectrum, time distribution,…Emphasis has been put on two points: first the matching devices capturing the positrons after the target which are essential for good accepted yields and the energy deposition density which is an important question for the reliability of the targets. Concerning the former point, three matching devices have been studied and their features compared: the Adiabatic Matching Device (AMD) largely used or considered for the positron sources, the Quarter Wave Transformer (QWT) and also the Lithium lens. For the latter point, related to the energy deposition and heating of the targets, we have tried to optimize the energy deposition density lowering its maximum value (PEDD); the average heat deposition has also been optimized using special converter material in granular shape, as considered for the neutrino factories. Very promising results allowed us to consider the hybrid positron source as an alternative to the difficult case of ILC; a special scheme for the transformation of the ILC beam pulses has been used, after KEK proposition. The positron beam transport has also been studied in the first part of the positron pre-accelerator including the solenoid and the first part of the quadrupole channel.