Développement des instruments de mesures des profiles transversaux et d'emittance pour l'accélérateur linéaire LINAC4 au CERN

LINAC4 is part of the CERN Large Hadron Collider injector chain upgrade (LIU) and will accelerate H− ions from 45 keV to 160 MeV, it will be the first step of the upgrade with the replacement of LINAC2 in 2018. In order to measure beam profiles along the LINAC, several SEM grid and wire beam scanner (WS) monitors will be installed between the RF cavities from 50 MeV to 160 MeV. This thesis covers all monitor design aspects intended to cope with the required specifications. In particular, the overall measurement robustness, accuracy and sensitivity must be satisfied for different commissioning and operational scenarios. The physics mechanisms generating the wire signals and the wire resistance to beam induced thermal loads have been considered in order to determine the most appropriate monitor design in terms of wire material and dimensions. In addition, for the commissioning phase, a movable diagnostics test bench will be used to adjust the machine parameters during different stages of installation. One of the main instruments on this movable bench is a transverse emittance meter. This thesis presents the different studies done for the mechanical design of the slit and for the estimation of the systematical error on the measurement due to space charge and multiple scattering. To complete this section, the first results of the commissioning of the LINAC4 ions source and LEBT are presented, together with results form emittance measurement taken at the Spallation Neutron Source in Oak Ridge (Tennessee, USA). This last part of the thesis presents different studies done for a beam profiles and emittance measurements with a laser wire, with a large input from the SNS beam diagnostic group.Dans les prochaines années, le complexe d'accélérateur du CERN va subir une profonde mise a jour dont le but est une augmentation de la luminosité du LHC. Le projet LIU ( LHC Injectors Upgrade) coordonne les mises a jour des différentes parties de la chaine d'injection. Le projet LINAC4 s'inscrit dans ce cadre et sera la première étape de la mise à jour. Cette thèse présente les différentes études conduites lors du développement de l'instrumentation nécessaire à la mesure du faisceau. Ce travail est limité aux instruments permettant la mesure des profils transverses (taille et emittance). La thèse se divise en quatre parties. La première partie, composée des trois premiers chapitres, est vue comme une partie d'introduction où il sera présenté le projet LINAC4 ainsi que les différents aperçus théoriques nécessaires à la conception de types d'instruments requis. Le chapitre 2 décrit brièvement la dynamique des faisceaux dans un accélérateur et présente également des rappels théoriques sur l'effet de charge d'espace induit par le faisceau. Le chapitre 3 est un rappel sur les interactions entre particules et matière. La seconde partie, comprenant les chapitres 4 a 6, décrit les différentes études menées lors de la conception des SEM grid, wire scanner et emittance mètre. Le lecteur trouvera dans cette partie une description des instruments mentionnés et qui seront déployés lors de la phase de test et pendant la phase d'opération du LINAC4. Le chapitre 4 s'attarde sur les effet de charge thermique induite sur les fils des SEM grid et wire beam scanner par le faisceau et leur conséquence sur la survit de ces fils. Le LINAC4 va produire un faisceau intense d'ion H-, avec une taille de faisceau de l'ordre du millimètre, cette densité de particule va, à basse énergie, induire un grand dépôt d'énergie dans la matière. La hausse de température qui en résulte peut dépasser les limites thermomécaniques des matériaux usuels employés pour ce type de mesure. Cette étude permet de déterminer le matériau idéal pour le fil et d'imposer certaines restrictions sur l'utilisation des différents moniteurs de profils. Au sein de ce chapitre il est aussi présente une estimation des signaux obtenus pour des géométries et des matériaux de fils différents. Les chapitres 5 et 6 sont une études de l'emittance mètre a moyenne énergie du LINAC4 (3 et 12 MeV), le système employé est un système dit "Slit & grid", ou une fente permet de sélectionner une faible partie du faisceau, le reste étant absorbé, le profil du faisceau non perturbé est mesuré par une grille. Le chapitre 5 présente une étude sur les erreurs systématiques des mesures d'emittance dû a la diffusion multiple et a l'effet de charge d'espace du faisceau, ces deux phénomènes constituant les principales erreurs conduisant à une mauvaise reconstruction de l'emittance mesurée. Le chapitre 6 quant a lui est dédié à l'étude mécanique de la fente de l'emittance mètre. Comme pour les fils des moniteurs de profils, la charge thermique sur la partie supportant la slit est importante. Ce chapitre décrit les études effectuées pour le choix des matériaux et de la géométrie des pièces mécaniques. La troisième partie de la thèse, qui se résume au chapitre 7, est consacrée aux différents résultats expérimentaux obtenus dans la phase de test de la source de particule du LINAC4 ainsi que ceux obtenus lors d'une visite d'étude à SNS. Une partie de se chapitre décrira la mise au point de l'instrumentation aux banc test de la source, une autre présente l'effet de la diffusion multiple sur les mesures d'emittance à SNS et propose une mise a jour de l'instrument. Le chapitre 8 constitue la dernière partie de cette thèse. Dans ce dernier chapitre, le lecteur pourra lire une étude préliminaire sur l'utilisation d'un faisceau laser pour la mesure d'emittance et de profil aux hautes énergies du linac