Etude numérique et expérimentale de la dynamique des faisceaux d'electrons dans les accélérateurs linéaires à induction

Numerical and experimental study of electron beam dynamics in linear induction accelerators

• Auteur / Autrice : Clara-Marie Alvinerie
• Direction : Patrick Rousseau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/12/2023
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche sur les ions, les matériaux et la photonique (Caen ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement co-accrédité : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Pécastaing
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Manil, Claude Fourment, Rémi Maisonny, Rudy Delaunay
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Bruno Manil, Claude Fourment

Mots clés

Mots clés contrôlés

Accélérateurs linéaires

Faisceaux, Dynamique des

Faisceaux électroniques

Mots clés libres

Transport du faisceau

Accélérateurs linéaires à induction

Electron beam

Beam dynamics

Beam transport

Linear induction accelerators

Résumé

La radiographie éclair est une technique permettant de caractériser l’état d’un objet dense soumis à des conditions physiques extrêmes, avec des vitesses de déplacement de plusieurs km/s. Dans ces conditions, il est nécessaire d’avoir une source de rayonnement X spécifique : faible dimension (quelques mm), durée brève (inférieure à 100 ns), haute énergie (autour de 20 MeV) et intense (quelques kA). Elle est produite à l’aide du rayonnement de freinage généré par l’interaction d’un faisceau intense et pulsé d’électrons avec une cible de métal de numéro atomique élevé. Ce faisceau est émis par une cathode en velours puis transporté dans un accélérateur linéaire à induction (LIA). La qualité d’une radiographie est majoritairement conditionnée par les caractéristiques physiques de la source X, elles-mêmes intimement liées aux propriétés du faisceau d’électrons. Les travaux menés dans cette thèse visent à modéliser la dynamique du faisceau dans les LIA en intégrant ses caractéristiques physiques dont certaines instabilités dégradant le faisceau. Les modèles développés ont été validés lors de la mise en service de l’accélérateur MCH3 implanté au CEA Valduc sur l'installation Epure.La modélisation de la dynamique du faisceau repose sur le code Particle-In-Cell LSP-Slice et le code de transport EVOLI (EVOLution des Instabilités). Ce dernier a été développé lors de cette thèse et modélise la dimension de l’enveloppe et du barycentre des charges (centroïde) du faisceau ainsi que la propagation « temporelle » du faisceau par le biais d’un découpage de ce dernier en disque.Dans un premier temps, des études ont été menées sur le mouvement du centroïde du faisceau lors de son transport. Dans EVOLI, les équations décrivent le centroïde avec l’influence de la charge d’espace. Une procédure d’optimisation numérique a permis de reproduire par simulation les résultats obtenus dans MCH3 en intégrant l’influence du champ magnétique terrestre et les défauts d’alignement des différents éléments magnétiques (solénoïdes et déviateurs). L’application de cette nouvelle méthode sur d’autres transports permet d’envisager de calculer des consignes des déviateurs afin de pré-centrer le faisceau numériquement. Cette méthode laisse entrevoir un gain de temps significatif lors du centrage expérimental du faisceau nécessitant de nombreux essais.Dans un second temps, la modélisation du faisceau a permis de contribuer à la mise en service de l’accélérateur MCH3 en fin d'année 2022. Un premier transport n’a pas permis de mener la totalité de la charge du faisceau jusqu’à la cible de conversion, bien que les simulations numériques prédisaient un transport nominal basé sur le seul formalisme de l’enveloppe. Les mesures expérimentales ont montré des oscillations importantes du centroïde dues à l’instabilité Beam Break-Up (BBU). Un modèle simplifié du BBU a alors été intégré dans EVOLI. Par l’utilisation de ce modèle numérique, un nouveau transport à champ magnétique fort a été conçu limitant théoriquement d’un facteur 2,5 l’intensité du BBU en sortie de ligne accélératrice. Ce résultat a été vérifié expérimentalement par la réduction significative du BBU d’un facteur 3 permettant de transporter l’intégralité de la charge du faisceau de manière stable et reproductible jusqu’à la cible. Cette stratégie de transport du faisceau à champ magnétique fort admet cependant une limite puisqu’elle exacerbe le mouvement Corkscrew qui augmente avec le champ magnétique tel que montré par le travail initialisé dans cette thèse. L’optimisation du transport est donc un compromis entre le poids des différentes instabilités au sein de l’accélérateur. Les travaux de cette thèse ouvrent des perspectives sur la prise en compte des instabilités afin de concevoir des transports innovants particulièrement dans le cadre de machines multi-impulsion constituant à l'heure actuelle un développement majeur des machines de radiographie éclair.

Flash radiography allows characterizing the state of a dense object subjected to extreme physical conditions, with displacement velocities of several kilometres per second. These conditions require a specific X-ray source: small size (a few millimetres), brief duration (less than 100 ns), high energy (around 20 MeV) and high current (a few kA). This source is produced using Bremsstrahlung radiation generated by the interaction of an intense and pulsed electron beam with a high atomic number metal target. A velvet cathode emits the beam and an linear induction accelerator (LIA) transports it. The quality of radiography is mainly conditioned by the physical characteristics of the X-ray source, which are closely linked to the properties of the electron beam. The work carried out in this PhD thesis aims to model the beam dynamics in LIAs by integrating its physical characteristics, including some instabilities which degrade the beam. The developed models were validated during the commissioning of the MCH3 accelerator at CEA Valduc in Epure facility.The modelling of beam dynamics is based on the Particle-In-Cell (PIC) code LSP-Slice and the transport code EVOLI (EVOLution of Instabilities). The latter was developed during this thesis and models the size of the beam envelope and its charge centroid, as well as the ''temporal'' propagation of the beam by its segmentation into discs.In the first place, studies were conducted on the motion of the beam centroid during its transport. In EVOLI, the equations describe the centroid with the influence of space charge. A numerical optimization procedure allowed the simulation to reproduce the results obtained in MCH3 by incorporating the influence of the Earth's magnetic field and the misalignment of various magnetic elements (solenoids and steerers). The application of this new method to other beam transports makes possible to calculate steerer settings for numerical pre-centering of the beam. This method offers the prospect of significant time savings during the experimental beam centering process, which typically requires numerous shots.Afterward the beam modelling contributed to the commissioning of MCH3 accelerator at the end of 2022. With an initial transport attempt, the entire beam charge did not reach the conversion target, despite numerical simulations predicting nominal transport based on the envelope formalism. Experimental measurements revealed significant centroid oscillations due to the Beam Break-Up (BBU) instability. Then, a simplified BBU model was incorporated into EVOLI. By using this numerical model, a new high magnetic field transport was designed, theoretically limiting BBU intensity at the accelerator end by a factor 2.5. This result was experimentally verified by a BBU reduction by a factor 3, enabling a stable and reproducible transport of the entire beam charge to the target. However, this strong magnetic field transport strategy leads to an increase of the Corkscrew motion, which increases with magnetic field strength as shown in the work initiated in this thesis. Therefore, optimizing beam transport is a compromise between the various instabilities within the accelerator. The work of this thesis opens up prospects for considering instabilities to design innovative transports, particularly in the context of multi-pulse machines, which are currently a major development in flash radiography machines.