Étude des instabilités transverses du faisceau dans le booster synchrotron de SOLEIL II

Study of transverse beam instabilities in the SOLEIL II synchrotron booster

• Auteur / Autrice : Watanyu Foosang
• Direction : Ryutaro Nagaoka, Alexis Gamelin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des accélérateurs
• Date : Soutenance le 04/12/2023
• 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 : Synchrotron SOLEIL
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Philip Bambade
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mauro Migliorati, Giovanni Rumolo, Christelle Bruni, Eléonore Roussel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mauro Migliorati, Giovanni Rumolo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation numérique

Sources de rayonnement synchrotron

Accélérateurs de particules

Mots clés libres

Effets collectifs

Booster

Synchrotron

Source de lumière de 4ème generation

Code de suivi des particules

Soleil

Collective effects

Booster

Synchrotron

4th generation light source

Particle tracking code

Soleil

Résumé

SOLEIL est une source de lumière synchrotron française de troisième génération ouverte aux utilisateurs en 2008. Malgré ses performances impressionnantes en matière de fiabilité pour la livraison de faisceau de photons stables à haute luminosité au cours des 20 dernières années, elle fait l'objet d'un plan de mise à niveau appelé SOLEIL II vers une source de lumière de quatrième génération (4-GLS) pour répondre aux besoins des nouveaux domaines de recherche des décennies suivantes. L'émittance naturelle du faisceau d'électrons de SOLEIL II sera considérablement réduite à environ 83 pm rad, contre 3.9 pm rad dans la machine actuelle, pour atteindre la limite de diffraction dans le domaine des rayons X-mous et X-tendres.Pour atteindre cette émittance ambitieuse, des quadrupôles puissants doivent être utilisés, ce qui augmentera en conséquence la chromaticité naturelle de la machine. Des sextupôles forts doivent donc être utilisés pour une correction chromatique intense. Les ouvertures des chambres à vide devront alors être réduites afin de diminuer les entrefers magnétiques et de contribuer à la production d'un champ puissant. Une nouvelle conception de maille Multibend Acromat (MBA), qui regroupe un certain nombre d'aimants dans une seule cellule, est généralement optée pour une construction 4-GLS. Pour SOLEIL II, une 16BA et une hybride 7BA-4BA sont choisises respectivement pour le booster et l'anneau de stockage.Pour le booster, la nouvelle maille apportera de nombreux défis en matière d'instabilités collectives. Premièrement, la réduction de la taille de l'ouverture de la chambre à vide augmentera sûrement l'impédance de type paroie résistive, généralement le principal contributeur au budget d'impédance en raison de la longue circonférence de la machine. Une petite chambre à vide signifie également qu'un élément tel que le moniteur de position du faisceau (BPM) sera plus proche du faisceau, augmentant ainsi l'impédance géométrique. De plus, l'effet des sextupôles puissants sur les instabilités du faisceau n'est pas non plus certain. Pour ces raisons, les effets collectifs dans le booster doivent être étudiés en profondeur pour assurer le bon fonctionnement de la nouvelle installation.Cette thèse se concentre sur l'étude des instabilités transverses du faisceau dans le booster SOLEIL II, notamment les instabilités de type couplage des modes transverses, tête-queue, paroie résistive et faisceau-ion. Nous utilisons un modèle de rampe de booster nouvellement conçu qui prend en compte la variation des paramètres d'équilibre le long de la rampe, permettant une simulation approfondie du booster. La chromaticité le long de la rampe du booster SOLEIL actuel a également été mesurée pour la première fois depuis 2009 pour valider le modèle. Un modèle d'impédance préliminaire du booster SOLEIL II a été construit pour la première fois depuis le début du projet au cours de cette thèse. Le taux de croissance et/ou le seuil de chaque instabilité dans diverses situations sont déterminés, et le potentiel d'amortissement Landau est également évalué dans le cadre du nouveau booster. De plus, comme il est prévu d'utiliser le couplage bêtatron lors de l'extraction du booster, une question intéressante quant à la façon dont le couplage affectera les instabilités transverse monopaquet est également étudiée.

SOLEIL is a French third-generation synchrotron light source opened to users in 2008. Despite its impressive performance in delivering stable high-brightness photon beams during the past 20 years, it is undergoing an upgrade plan called SOLEIL II towards a fourth-generation light source (4-GLS) to meet the needs of new research domains of the following decades. The SOLEIL II's electron beam natural emittance will be drastically reduced to about 83 pm rad, compared to 3.9 nm rad in the present machine, to reach the diffraction limit in the soft/tender X-ray range.To achieve this ambitious beam emittance, strong focusing magnets must be employed, which will increase the machine's natural chromaticity as a consequence. Strong sextupoles therefore must be used for intense chromatic correction. The vacuum chamber apertures will then have to be reduced in order to decrease the magnetic gaps and help for strong field production. The Multibend Acromat (MBA) lattice design which packs a number of magnets in one cell is usually opted for a 4-GLS construction. For SOLEIL II, a 16BA and a hybrid 7BA-4BA are chosen for the booster and the storage rings, respectively.For the booster, the new lattice is foreseen to bring many challenges regarding collective instabilities. First, the reduction in the vacuum chamber aperture size will surely increase the resistive-wall impedance, usually the largest contributor to the impedance budget due to the long machine circumference. A small vacuum chamber also means that an element like the beam position monitor (BPM) will be closer to the beam, thus increasing the geometric impedance. Moreover, the effect of the strong sextupoles on the beam instabilities is also not certain. For these reasons, the collective effects in the booster must be profoundly studied to ensure the good functioning of the new facility.This thesis focuses on the study of transverse beam instabilities in the SOLEIL II booster including the transverse mode coupling, head-tail, resistive-wall, and beam-ion instabilities. We utilize a newly designed booster ramp model that considers the variation of equilibrium parameters along the ramp, permitting a thorough simulation of the booster. The chromaticity along the current SOLEIL booster's ramp was also measured for the first time since 2009 to validate the model. The preliminary SOLEIL II booster impedance model was constructed for the first time since the beginning of the project during this thesis. The growth rate and/or the threshold of each instability in various situations are determined, and the potential of Landau damping is also assessed in the framework of the new booster. In addition, as the betatron coupling is planned to be employed at the booster's extraction, an interesting question as to how the coupling will affect the transverse single-bunch instabilities is also investigated.