Développement de diagnostics faisceaux et études de dynamique de faisceaux transverse pour les opérations hautes intensités au cyclotron C70XP d'ARRONAX

Development of beam diagnostics and studies of transverse beam dynamics towards high-intensity operations in the beamlines of the C70XP cyclotron at ARRONAX

• Auteur / Autrice : Atul Sengar
• Direction : Ferid Haddad, Freddy Poirier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 30/03/2021
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique Subatomique et des Technologies Associées (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Ban
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Delerue
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Gilles Ban, Nicolas Delerue

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cyclotrons

Accélérateurs de particules

Faisceaux de protons

Mots clés libres

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Proton particle beam

Transverse beam dynamics

Beam diagnostics

Résumé

Les accélérateurs industriels s'appuient sur quelques nombres limités de diagnostic standard pour effectuer leurs tâches, et généralement ces limitations ne couvrent pas la connaissance précise du faisceau frappant la cible après divers événements en amont. Ceci constitue une contrainte sur la capacité de l'installation à produire les caractéristiques de poutre souhaitées mais aussi à faire face aux nouveaux développements de poutres nécessaires. En ce sens, plusieurs caractéristiques du faisceau ont été étudiées. Dans un premier temps, des travaux ont été menés pour protéger les points faibles où les pertes de faisceau élevé peuvent entraîner une perte de vide. À cette fin, des moniteurs de perte de faisceau basés sur une chambre d'ionisation non destructive sont testés et comparés. Ces BLM ont ensuite été installés dans des lignes de lumière à haute intensité et régulièrement surveillés. Une étude dynamique de faisceau transversal de protons de 70 MeV réalisée au BLM et au collimateur instrumenté à quatre doigts où une technique de modulation de gradient quadripolaire standard a été largement utilisée avec la modification des paramètres de la ligne de lumière. De plus, l'outil unique de simulation de suivi de particules basé sur G4Beamline geant4 a été utilisé pour étudier la dynamique des faisceaux dans des conditions idéales. Ces études ont exploré diverses caractéristiques du faisceau telles que le point focal, les causes des pertes du faisceau et l'émittance du faisceau transversal à différents jours. Pour améliorer encore la dynamique du faisceau et évoluer vers des intensités plus élevées, un nouveau prototype de moniteur de position du faisceau (BPM) proposé par iThemba labs, Afrique du Sud, a été testé et étalonné avec une configuration d'antenne RF. répliquant un faisceau. Les résultats sont également comparés à la simulation opera3D. Ces premières études indiquent que ce BPM peut être utilisé pour calibrer un faisceau au centre. Ce BPM devrait être testé avec le faisceau de protons dans les laboratoires Arronax ou iThemba à l'avenir

Industrial accelerators rely on a few limited numbers of standard diagnostics to perform their duties, and generally, this limitation does not cover precise knowledge of the beam hitting the target after various upstream events. This is a constraint for the facility’s capacity in making the desired beam characteristics but also to deal with new necessary beam developments. In this sense, several beam characteristics have been studied. Initially, the work has been done to safeguard weak locations where high beam losses can result in the loss of vacuum. For that purpose, a non-destructive ionization chamber based beam loss monitors are tested and compared. These BLMs were then installed in high-intensity beamlines and regularly monitored. A 70 MeV proton transverse beam dynamics studies carried out at BLM and instrumented four-finger collimator levels where a standard quadrupole current variation technique has widely used with beamline settings modification. Moreover, G4Beamline geant4 based single-particle tracking simulation tool has been used to study beam dynamics in ideal conditions. These studies explored various beam characteristics such as focal point, causes of beam losses, and transverse beam emittance on different days. For further improvement of beam dynamics and to go towards higher intensities, a new prototype of beam position monitor (BPM) proposed by iThemba labs, South Africa has been tested and calibrated with an RF antenna setup replicating a beam. The results are also compared with the opera3D simulation. These initial studies indicated that this BPM can be used for calibrating a beam at the center. This BPM is foreseen to be tested with the proton beam at Arronax or iThemba labs in the future