Thèse soutenue

Conception de profileurs non invasifs pour le faisceau de protons de ESS

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Auteur / Autrice : Florian Benedetti
Direction : Esther Ferrer-Ribas
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique des accélérateurs
Date : Soutenance le 23/09/2019
Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1991-....)
établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
Jury : Président / Présidente : Patrick Puzo
Examinateurs / Examinatrices : Esther Ferrer-Ribas, Patrick Puzo, Peter Forck, Gloria Luzón, Julien Pancin, Cyrille Alain Thomas, Jacques Marroncle
Rapporteurs / Rapporteuses : Peter Forck, Gloria Luzón

Résumé

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La source européenne de spallation (ESS) sera une infrastructure de recherche dévolue aux sciences utilisant les neutrons comme sonde d’observation. Elle est actuellement en construction à Lund, en Suède, et sera la plus brillante des sources de neutrons pulsées au monde. Comme son nom l'indique, la production des neutrons est assurée par les processus de spallation : des protons à haute énergie bombardant une cible de tungstène. Le faisceau de protons est généré par un puissant accélérateur linéaire de 2 GeV qui peut être divisé en deux parties : une partie "chaude" qui accélère les protons jusqu'à 90 MeV, suivie d’une partie « froide » constituée de cavités supraconductrices refroidies à l'hélium liquide, permettant d’atteindre les 2 GeV. La forte intensité de 62.5 mA et la longue impulsion de 2,86 ms répétée 14 fois par seconde, conduisent à une puissance moyenne de faisceau de 5 MW et une puissance crête de 125 MW. La connaissance du faisceau est donc indispensable pour la mise en service, c'est-à-dire le réglage du faisceau afin d'assurer un fonctionnement correct et sûr de la machine. Différents diagnostics seront installés le long de l'accélérateur pour remplir ces tâches.Cette thèse traite du développement d'un profileur transverse non invasif pour la partie froide de l’accélérateur de ESS : les Ionization Profile Monitors (IPM). La thèse se concentre sur les aspects critiques des IPM afin de s’assurer de leur faisabilité dans les conditions du faisceau de ESS. Ces moniteurs sont basés sur l’ionisation induite par le passage des protons du gaz résiduel présent dans le tube de l’accélérateur. Un champ électrique est appliqué entre deux plaques parallèles de l'IPM. Les électrons ou les ions dérivent vers un détecteur segmenté permettant de reconstruire le profil dans une direction transverse du faisceau.Plusieurs défis, qui auraient pu compromettre l’utilisation des IPM pour les mesures des profils de faisceau à ESS, sont décrits :• Les faibles taux de comptage dus aux faibles sections efficaces d'ionisation à haute énergie (90 à 2000 MeV) ainsi qu’aux basses pressions du gaz résiduel de l’ordre de 10-9 mbar,• L'homogénéité du champ électrique à l'intérieur de l'IPM, essentiel pour assurer des mesures de profils précises mais difficile pour les chambres à vide étriquées des IPM,• L’importante charge d'espace du faisceau, qui distord le profil mesuré en déviant lestrajectoires des produits d'ionisation. Cet aspect fondamental peut remettre en cause l’utilisation d’IPM pour faire des mesures fiables de profil de faisceau.Une fois ces études terminées, nous avons sélectionné trois systèmes de lecture fiables, basés sur :• des pistes conductrices lues par un intégrateur de charge multicanal,• des détecteurs à micro-canaux couplés à un écran phosphore (pMCP),• un détecteur de silicium développé au CERN, et utilisé en particulier pour le futur profileur du faisceau du PS.Ces études ont fait l’objet d’une Revue de Conception Préliminaire (PDR 2017/01) marquant le début de la construction des différents prototypes. Les tests préliminaires ont écarté la possibilité d'utiliser des détecteurs au silicium en raison des trop faibles énergies des ions incidents.En partant de zéro, des IPM, des moniteurs de référence et un banc d’essai ont été conçus et installés sur l’accélérateur de protons IPHI à Saclay. Les conditions expérimentales de ESS ont été reproduites afin de valider une solution pour les IPM, ainsi que tester nos modèles.Les campagnes de test ont montré qu'un MCP était nécessaire pour détecter le signal d’ionisation. De plus, l'IPM optique (pMCP + caméra) est la solution recommandée car elle offre une sensibilité plus élevée. Le retour d’expérience accumulé lors des tests des prototypes, nous a permis de proposer une conception quasi finale d’un IPM, présentée lors de la Revue Critique de Conception (CDR 2019/02), menant au début de la phase de production.