Doctorant : Randy OLLIER
Laboratoire d’accueil : Synchrotron SOLEIL
Date de début de thèse : Octobre 2019

Le synchrotron SOLEIL est un centre de recherche national exploitant un accélérateur synchrotron à électrons, dans le cadre de travaux scientifiques internationaux.

Ce grand instrument de recherche est un enchainement ordonné de trois accélérateurs : l’accélérateur linéaire, le booster et l’anneau de stockage. L’accélérateur linéaire (linac, pour Linear accelerator) produit des électrons à l’aide de sa source thermo émettrice et les accélère jusqu’à ce que leur énergie atteigne 110 MeV. A ce stade, les électrons sont extraits du linac et injecté dans le booster. Cet accélérateur circulaire de 157 mètres accélère le faisceau d’électrons jusqu’à ce que son énergie atteigne 2,75 GeV. Le faisceau est alors extrait du booster et injecté dans l’anneau de stockage, dont la circonférence vaut 354 mètres.

Le rayonnement synchrotron, produit par la déflection du faisceau d’électrons stocké intense et extrêmement collimaté, est acheminé dans les 29 laboratoires implantés tout autour de l’anneau de stockage via des lignes de lumières (figure 1). Le rayonnement synchrotron ainsi canalisé possède des propriétés qui permettent à ces laboratoires de sonder la matière aux échelles submicrométriques.

Afin de compenser l’amortissement radiatif du faisceau par émission synchrotron dans l’anneau de stockage, et ainsi maintenir l’énergie du faisceau stocké à sa valeur nominale, quatre cavités radio fréquence supraconductrices sont intégrées à cet accélérateur. Par ailleurs, le réglage des aimants électromagnétiques, constitutifs de la maille de l’anneau, permet de focaliser et guider le faisceau d’électrons selon une orbite fermée déterminée.

Afin de compenser les pertes électroniques du faisceau stocké et ainsi conserver les propriétés du rayonnement synchrotron lors du fonctionnement de SOLEIL, il est nécessaire d’injecter régulièrement de nouveaux électrons dans l’anneau de stockage. L’injection dans l’anneau est déclenchée automatiquement dès que l’intensité du faisceau stocké devient inférieure à un certain seuil. Ainsi, environ 2 mA sont injectés toutes les trois minutes afin de conserver une variabilité en courant inférieure à 0,2% de la valeur nominale.

Le faisceau injecté oscille autour de l’orbite fermée du faisceau stocké, jusqu’à rejoindre ce dernier par amortissement radiatif. Afin que l’amplitude des oscillations du faisceau injecté soit minimisée, et que le rendement d’injection soit maximisé, le faisceau stocké est décalé de son orbite dans la section d’injection, au moment de l’injection, de sorte à être rapproché du faisceau injecté. En sortie de la section d’injection, le faisceau stocké est repositionné sur son orbite initiale, accompagné du faisceau injecté.

Lors de l’injection, le décalage du faisceau stocké est réalisé au moyen de quatre aimants dipolaires pulsés appelés kickers d’injection. Ce procédé fonctionne sur le principe d’une fermeture angulaire horizontale : le faisceau stocké reçoit un angle du premier kicker, en entrée de la section d’injection, puis un second angle du deuxième kicker, compensant le premier. Le faisceau est donc positionné hors axe de l’anneau de stockage. L’opération symétrique est réalisée grâce au troisième et quatrième kicker afin de repositionner le faisceau stocké sur l’axe de l’anneau de stockage, à la sortie de la section d’injection (figure 2).

Si la fermeture angulaire était parfaite, c’est-à-dire si la somme des angles fournie au faisceau stocké était nulle, l’injection serait transparente pour toutes les lignes de lumière, car l’orbite du faisceau stocké ne subirait aucune distorsion résiduelle.

En réalité, il est impossible que la fermeture angulaire soit parfaite, et l’angle horizontal résiduel acquis par le faisceau vaut environ 10 μrad. Il résulte une distorsion résiduelle de l’orbite fermée du faisceau stocké d’approximativement 70 μm rms, mesurée à l’aide des moniteurs de position montés le long de l’anneau. Les mesures réalisées mettent également en évidence une distorsion résiduelle de l’orbite verticale de 40 μm rms. Les distorsions résiduelles horizontales et verticales de l’orbite fermée représentent respectivement 20 % et 200% de la taille rms horizontale et verticale du faisceau stocké [2]. Cette distorsion induit des fluctuations du rayonnement synchrotron que deux lignes de lumière sont aujourd’hui capables de percevoir lors de leurs expériences.

Un des axes d’optimisation de l’accélérateur consiste à limiter ces perturbations dynamiques sur le faisceau stocké au moment de l’injection : l’objectif est de borner la distorsion résiduelle de l’orbite horizontale entre 2 et 5% de la taille horizontale rms du faisceau. Les distorsions résiduelles étant induites par les kickers, une solution est de mettre un nouveau type d’aimant en service.

Dans cette optique, un nouveau système d’injection, fondé sur un aimant pulsé multipolaire MIK (Multipole Injection Kicker), doit remplacer le système d’injection à quatre kickers présents sur l’anneau de stockage. La première partie de la thèse est dédiée à la simulation de l’injection dans l’anneau au moyen du MIK, en utilisant le code Accelerator Toolbox (AT) sur MATLAB. Cette première étape permettra de déterminer un certain nombre de paramètres déterminant pour les tests et la mise en service du MIK, qui auront lieu durant la seconde partie de la thèse. Les taux de pertes électroniques par injection et par durée de vie seront simulés, sur le code TRACY et sur AT. En outre, ces taux seront mesurés lors de la mise en service du MIK, afin de garantir le respect des seuils d’activation déterminés par le groupe de radio protection de SOLEIL.

Le MIK permet de décaler non plus le faisceau stocké mais le faisceau injecté, en lui fournissant l’angle horizontal souhaité pour minimiser l’amplitude de son oscillation autour de l’orbite du faisceau stocké. Ainsi, l’injection actuelle, hors axe, est remplacée par une injection sur axe (figure 3). Afin de réaliser cette opération, le MIK produit un champ magnétique octupolaire variable. Au centre de la cavité du MIK, zone par laquelle le faisceau stocké traverse le MIK, le champ magnétique est nul. Le faisceau stocké n’est ainsi pas perturbé, tandis que le faisceau injecté traverse le MIK dans la zone de champ d’intérêt, lui fournissant l’angle horizontal adéquat.

Le MIK fut adapté par SOLEIL, sur la base d’un aimant d’injection de BESSY-II, dans le cadre d’une collaboration avec le synchrotron MAX IV de Lund en Suède, lieu de sa première installation et mise en service. Les résultats excellents, tant du point de vue de la distorsion résiduelle d’orbite, qui permet un niveau de transparence de l’injection unique pour les lignes de lumière, que du point de vue du rendement d’injection, ont initiés l’assemblage d’un MIK identique, qui doit faire l’objet de tests et d’une mise en service sur l’anneau de stockage de SOLEIL, pour les besoins de SOLEIL.

En outre, SOLEIL, qui possède actuellement une machine de 3^ème génération, entame la création d’une toute nouvelle machine de 4^ème génération à très faible émittance, davantage sensible aux distorsions résiduelles d’orbite du faisceau. En ce sens, le projet MIK s’inscrit dans un processus de recherche et développement stratégique pour le présent, et l’avenir de SOLEIL. Avenir qui nourrira une troisième partie de thèse, pour laquelle une étude des pertes électroniques, et de leur localisation au moyen de collimateurs, sera également réalisée pour les besoins du nouvel accélérateur SOLEIL.

Références :

[1] https://www.synchrotron-soleil.fr

[2] A. Loulergue, Injection and top-up experience at SOLEIL, in: Topical Workshop on Injection and Injection Systems, Berlin, 2017

[3] R. Ben El Fekih, Conception d’un Pulser pour le système d’injection de la source suédoise de rayonnement synchrotron (MAX-IV), 2017