Dynamique des faisceaux de particules non-linéaire pour les upgrades du LHC

3D non-linear beam dynamics for the LHC upgrades

• Auteur / Autrice : Thomas Pugnat
• Direction : Olivier Napoly, Barbara Dalena
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des accélérateurs
• Date : Soutenance le 22/06/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Puzo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marie de Conto, Ioannis Papaphilippou, Rogelio Tomás García, Angeles Faus-Golfe
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Marie de Conto, Ioannis Papaphilippou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique non-linéaire

Systèmes hamiltoniens

Accélérateurs de protons

Grand collisionneur de hadrons

Systèmes dynamiques

Mots clés libres

Physique des accélérateurs

Dynamique non-linéaire

Schémas symplectiques

Accelerator physics

Nonlinear beam dynamics

Symplectic maps

Résumé

La réalisation des futurs collisionneurs circulaires de protons dépend d’avancées technologiques décisives. En particulier, les aimants supraconducteurs seront construits en technologie Nb3Sn, ce qui permettra d’augmenter leur ouverture et leur champ magnétique. La qualité du champ (i.e. l’homogénéité) de cette nouvelle technologie va influencer la dynamique du faisceau. Des méthodes avancées de modélisation et de simulation doivent être utilisées et ultérieurement développées pour la conception des futures accélérateurs. En effet, des imperfections du champs magnétique des aimants, même très faible, pourraient avoir un impact important en limitant les performance de l’anneau, en particulier sur la dynamique de faisceau à long terme. La prise en compte de ces effets exige un modèle détaillé et réaliste du champ magnétique des aimants, y compris de ses champs de fuite. La description de ces champs magnétiques peut-être obtenue, sous la forme de champ à 3 dimensions sur une grille ou sous la forme d’harmoniques longitudinales, par différents codes à éléments finis (par exemple le code ROXIE du CERN) et/ou par des mesures directement sur les aimants. Pour décrire de façon réaliste les effets de ces champs sur la dynamique du faisceau à long terme, il est nécessaire de pouvoir utiliser ces informations dans les codes qui simulent le transport des particules. Dans cette thèse, une nouvelle carte de transfert pour décrire ces imperfections de champ a été développée et implémentée dans le code de transport du CERN, SixTrack. Celle-ci a permis de quantifier pour la première fois l’impact des imperfections 3D du champ sur des observables faisceau, tel que la variation du nombre d’onde et de la fonction bétatronique de la machine avec l’amplitude et l’ouverture dynamique. Quand cela est possible, une expression analytique a été dérivée et comparée aux simulations.

In order to boost the precision of the physics measurements, an improvement of a factor 10 of the LHC luminosity is planned for the next decade. A key ingredient of this upgrade is the need to use a new technology for the superconducting magnets which allows increasing the available peak field at a given aperture. The field quality of this new technology influences the beam dynamics; in large rings very little effects can have an important impact on the long term motion of the particle in the accelerator. This motion can be studied by means of transfer maps. For the individual elements of the beam line, these maps can in general depend sensitively on non-linear fringe-field and high-multipole effects, usually concentrated at magnets extremities. The inclusion of these effects in the particle dynamics requires a detailed and realistic model of the full magnetic field, including its fringe fields. The accurate description of the field can be obtained by various finite element field codes, in form of 3-dimensional field data on a grid. Starting from these field maps (or equivalent magnetic measurements) and using Fourier analysis, it is possible to compute the transfer map. In this thesis, a new transfer map describing this 3D field imperfections has been developed and implemented into the CERN Tracking code, SixTrack. This allows to quantify for the first time the impact of such imperfections on beam-based observables such as Amplitude Detuning, measured Amplitude Beta-Beating and Dynamic Aperture. When possible an analytical expression have been derived and compared to simulations.