Doctorant : Thomas Pugnat
Laboratoire d’accueil : CEA/DRF/DACM
Date de début de thèse : Octobre 2017
Depuis les rayons cathodiques et les travaux de E. Rutherford sur sa théorie du modèle atomique (1907-1919) qui incitèrent à la création du premier accélérateur électrostatique de 500 kV par J. Cockcroft et E. Walton (1928-1932), les accélérateurs de particules ont beaucoup changé. Répondant à la nécessité de fournir des faisceaux de particules à des énergies toujours plus grandes pour des expériences de physique fondamentale, leur taille a augmenté (pensons par exemple au LHC du CERN) et ils dépendent de plus en plus d’avancées technologiques décisives. Le CERN a fait le choix d’utiliser des aimants supraconducteurs pour les collisionneurs circulaires de protons, utilisant le NbTi pour le présent LHC et le Nb3Sn pour les futures collisionneurs (HL-LHC et FCC). Cette dernière technologie permettra d’augmenter la taille de leur ouverture ainsi que leur champ magnétique.
La qualité du champ, c’est-à-dire son homogénéité, va influencer la dynamique du faisceau. L’amélioration des méthodes avancées de modélisation et de simulation permet un meilleur contrôle des accélérateurs actuels et une meilleure conception des futurs accélérateurs. Des imperfections du champ magnétique des aimants, même très faibles, pourraient avoir un impact important en limitant les performances de l’anneau, voire la durée de vie de ses éléments. 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.
A ce jour, la description de ces champs magnétiques utilisée par les dynamiciens, était moyennée sur toute la longueur de l’aimant. Sachant la complexité des extrémités des aimants (forme des têtes, présence de connecteurs, passage de câble entre les couches des bobines, etc.), les inhomogénéités du champ sont donc plus importantes en entrée et sortie des aimants. Dans cette thèse, le choix a plutôt été d’obtenir la description de ces champs magnétiques par différents codes à éléments finis (par exemple le code ROXIE du CERN) et/ou par des mesures directement sur les aimants sous la forme de champ à 3 dimensions sur une grille ou sous la forme d’harmoniques sur des intervalles de pas de l’ordre de 2 cm dans leur longueur.
Pour décrire de manière 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 tout en minimisant le temps de calcul. Dans ces codes, des cartes de transfert modélisent le transport pour chaque élément magnétique de l’anneau. Cela requiert de comprendre et d’utiliser des modèles physico-mathématiques avancés et de les intégrer dans les simulations numériques. Elles pourront aussi être utilisées pour exploiter les mesures magnétiques des prototypes des aimants en Nd3Sn construits pour le projet HL-LHC.
Dans la thèse, l’impact de la description détaillé du champ magnétique est quantifié sur des observables mesurables avec le faisceau, comme la variation du nombre d’onde transverse du collisionneur, la zone de stabilité du faisceau appelée ouverture dynamique ou les termes de résonance (RDTs). Les premières résultats montrent que les effets de la distribution longitudinale du champ magnétique et de ses inhomogénéités ne sont pas négligeables et peuvent expliquer une partie des écarts entre les mesures avec le faisceau et le modèle de la machine qui utilise les mesures magnétiques moyennées sur la longueur de l’aimant.