Thèse soutenue

Pression dynamique dans les accélérateurs de particules : mesures expérimentales et simulation dans le grand collisionneur de hadrons
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Auteur / Autrice : Suheyla Bilgen
Direction : Gaël Sattonnay
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique des accélérateurs
Date : Soutenance le 14/12/2020
Etablissement(s) : université Paris-Saclay
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....) - Centre européen pour la recherche nucléaire
référent : Faculté des sciences d'Orsay
Jury : Président / Présidente : Achille Stocchi
Examinateurs / Examinatrices : Frank Zimmermann, Roberto Cimino, Yolanda Martínez Gómez, Markus Bender, Pedro Costa Pinto, Romuald Levallois
Rapporteurs / Rapporteuses : Frank Zimmermann, Roberto Cimino

Résumé

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L’obtention de très faible pression (UHV) est une condition essentielle pour les accélérateurs de particules de haute énergie et de hautes performances. Par conséquent, la compréhension de l'évolution de la pression dynamique pendant le fonctionnement des accélérateurs est fondamentale afin de trouver des solutions qui permettent de minimiser les hausses de pression induites par de multiples phénomènes présents dans les lignes faisceaux. Pour le LHC, l'apparition d'instabilités peut être due à la succession de plusieurs processus. Tout d’abord, le faisceau de protons de haute intensité ionise le gaz résiduel, produisant des ions positifs (principalement H₂⁺ et CO⁺) ainsi que des électrons qui sont accélérés et qui impactent la paroi en cuivre des tubes de faisceaux. Ensuite, ces interactions induisent : (i) une désorption des gaz absorbés sur les parois, conduisant à des élévations de pression ; (ii) la création de particules secondaires (ions et électrons). Dans ce dernier cas, la production d'électrons secondaires entraîne, par effet d’avalanche, la formation de nuages d’électrons, dont la limitation est l'un des enjeux majeurs de l'anneau de stockage du LHC. Ces nuages génèrent des montées de pression et des dépôts de chaleur sur les parois du collisionneur pouvant conduire à des « quench » d’aimants supraconducteurs. Tous ces phénomènes limitent l'intensité maximale et augmentent l’émittance des faisceaux et donc la luminosité ultime atteignable dans un accélérateur de protons. Ce travail de thèse a pour but d’étudier certains phénomènes fondamentaux qui contrôlent la pression dynamique dans le LHC, à savoir les effets induits par les électrons et les ions, d’une part, et l'influence de la chimie de surface du cuivre constituant les écrans faisceaux, d’autre part. Dans un premier temps, les courants d’électrons et d’ions ainsi que la pression ont été mesurés in situ dans le Secteur Pilote Vide (VPS) situé sur l'anneau du LHC pendant la deuxième période d’exploitation du collisionneur. En analysant ces résultats, une quantité d’ion plus importante que prévu a été détectée et la relation entre les électrons, les ions et les variations de pression a été étudiée. D’autre part, la désorption stimulée par les ions a été mesurée au laboratoire au CERN en utilisant un bâti expérimental dédié. L'influence de la nature, de la masse et de l'énergie des ions incidents interagissant avec les surfaces sur les rendements de désorption ionique a été discutée. De plus, des analyses approfondies de la surface de cuivre constituant l'écran faisceau ont été réalisées dans le laboratoire IJCLab pour identifier le rôle joué par la chimie de surface du cuivre sur le rendement d’émission électronique, les processus de conditionnement de surface et la désorption de gaz stimulée. Le rôle fondamental de composés chimiques sur la surface (contaminants, présence de carbone et d'oxydes natifs) sur le rendement de production des électrons secondaires a été mis en évidence. Enfin, nous avons proposé un code de simulation permettant de prédire les profils de pression dans les chambres à vide des accélérateurs de particules ainsi que leur évolution temporelle. Ce nouveau code de simulation appelé DYVACS (DYnamic VACuum Simulation) est une amélioration du code VASCO développé par le CERN. Il a été appliqué pour simuler la pression dynamique dans le VPS. L'évolution du nuage d'électrons a été implémentée dans le code via des « maps » permettant de calculer l'évolution de la densité des nuages d'électrons. L'ionisation du gaz résiduel par les électrons a également été prise en compte. Finalement, les résultats obtenus avec DYVACS ont été comparés aux mesures de pression enregistrées dans le LHC. Les résultats obtenus à l’issu de ces travaux de thèse, ainsi que les développements expérimentaux et de simulation réalisés, pourront permettre l’étude de la stabilité du vide de futurs accélérateurs de particules tels que HL-LHC ou FCC(ee et hh).