Offre de thèse sur ThomX

Instabilité d’un faisceau d’électrons relativistes pour l’interaction
Compton inverse (English version below)
L’objectif du projet THOMX est de construire un démonstrateur basée sur la
rétrodiffusion Compton d’un laser sur un faisceau d’électrons (50MeV) dont le flux pourra
atteindre 1013 photons par seconde dans la gamme des rayons X durs (50à 90keV). Pour
atteindre ses objectifs, la source laser ainsi que la source d’électrons devront être stables. Or,
les conditions requises pour maximiser le flux de photons rétrodiffusés (faible énergie des
électrons, la compacité, forte focalisation au point d’interaction) entrainent une dégradation
des caractéristiques et de la stabilité du faisceau d’électrons qui subit un demi-million de fois
l’interaction Compton. Les sources de dégradation sont principalement dues à l’interaction
Compton ainsi qu’à l’effet Touschek multiple (IBS). D’autre part, l’espace des phases
longitudinales des électrons subit aussi des effets turbulents dus à la désadaptation, aux nonlinéarités
de l’optique, ainsi qu’aux effets collectifs comme la force de charge d’espace, le
rayonnement synchrotron cohérent (CSR), ou l’impédance. Comme la dynamique des
électrons n’est pas amortie, ces dégradations ont un impact non négligeable à la fois sur le
flux de photons rétrodiffusés mais aussi sur ses caractéristiques spectrales.
La thèse proposée se concentrera sur l’étude des instabilités transverses et
longitudinales. Elles peuvent être dues à l’impédance de la chambre à vide et des éléments
environnants ainsi qu’aux ions du vide résiduel. Un premier volet concernera l’impédance
longitudinale et transverse. L’impédance des éléments vus par le faisceau (Beam Position
Monitor, soufflet, brides, cavité optique au point d’interaction) sera simulée et mesurée sur un
banc de test avec un expert radio-fréquence. Les différentes contributions seront insérées dans
les simulations de la dynamique des électrons afin d’évaluer la dégradation induite sur le
faisceau d’électrons. La partie analytique nécessaire à cette évaluation sera poussée selon le
profil de l’étudiant. Un autre objectif de la thèse sera axé sur le couplage des différentes
instabilités liées à l’impédance avec celles dues aux ions du vide résiduel. En effet, la
dynamique couplée des électrons et des ions circulant dans la chambre à vide conduit à une
limitation de la densité électronique, mais aussi à des instabilités transverses difficilement
contrôlables à cause de la rapidité des temps de montée de ces instabilités. Dû au passage du
faisceau d’électrons en leur voisinage, les ions sont aussi soumis à des déplacements
longitudinaux le long de l’anneau menant à des points d’accumulation. L’effet de ces
déplacements dans les dipôles reste à modéliser pour évaluer l’efficacité du nettoyage des ions.
L’objectif sera d’étudier la dynamique couplée des électrons et des ions en présence des
déplacements longitudinaux des ions. Cette dynamique sera aussi couplée aux effets collectifs
comme l’impédance.
Le plan détaillé de la thèse est :
Evaluation de l’impédance, mesure et impact sur le faisceau d’électrons :
ü Modélisation du design de la chambre à vide et des différents composants (BPM,
soufflets, bride, chambre à vide au niveau du point d’interaction, etc.) : simulations
avec CST
ü Mesure des fréquences absorbées par les différents éléments : définition du banc de
mesure, commande, montage, mesure, comparaison avec les simulations CST.
ü Extraire les valeurs d’impédance en adéquation avec l’outil de simulation de
dynamique des faisceaux d’électrons choisi.
ü Discussion des résultats des simulations de dynamique des électrons, étude de moyens
de mesure spécifiques qui pourraient être utilisés lors du démarrage de ThomX
Modélisation des instabilités dues aux ions :
ü Evaluation de la distribution longitudinale des ions le long de l’anneau en tenant
compte des champs magnétique des dipoles : insertion du modèle dans un code déjà
existant, vérification de l’efficacité de nettoyage des ions par les électrodes et les gap
d’injection.
ü Couplage de la dynamique longitudinale et transverse des ions avec celle du faisceau
d’électrons : modélisation, modification d’un code existant, étude de l’impact sur les
nombre d’onde, la stabilité du faisceau d’électrons
ü Discussion des résultats des simulations de dynamique des électrons, étude de moyens
de mesure spécifiques qui pourraient être utilisés lors du démarrage de ThomX
ü Etude des modifications de l’instabilité (fréquence, seuil, intensité) due aux ions en
présence de l’instabilité due à l’impédance de la chambre à vide.
Ces études aboutiront à une modélisation réaliste, et des simulations rapides pour
évaluer et comprendre les dégradations attendues du faisceau d’électrons lors du démarrage.
Selon le planning d’avancement de la construction de ThomX, des mesures seront possibles
lors du démarrage.
La thèse s’inscrit dans le cadre du projet ThomX qui vise à développer une source de
rayon X intense et compacte pour l’utilisation dans un environnement médical ou d’histoire
de l’art. ThomX est un équipement d’excellence financé par l’Agence Nationale de la
recherche, le CNRS, l’IN2P3, et l’Université Paris Sud. Ce projet regroupe des partenaires
institutionnels et industriels français ; il réunit des pôles d’excellence dans le domaine des
accélérateurs, des lasers de puissance et de la détection X. Le doctorant sera intégré à l’équipe
THOMX constituée de chercheurs, d’ingénieurs et techniciens. Des réunions régulières seront
organisées pour discuter des résultats et de l’avancée de la thèse avec l’équipe « dynamique
faisceau » du département Accélérateurs et avec le groupe machine du Synchrotron SOLEIL.
Encadrement :
Christelle Bruni, bruni@lal.in2p3.fr, 01.64.46.83.51
Pierre Lepercq,
Ryutaro Nagaoka,
Les étudiants intéressés sont invités à se manifester rapidement en envoyant un CV et une
lettre de motivation à bruni@lal.in2p3.fr
Financement :
La thèse est financée sous réserve d’un niveau académique suffisant de l’étudiant.
Cadre : ED PHENIICS
Instability of a relativistic electron beam for inverse Compton scattering
The aim of the THOMX project is to build a demonstrator based Compton backscattering of a
laser on an electron beam (50MeV) whose flux can reach 1013 photons per second in the range
of hard X-rays (50 to 90keV). To achieve this goal, the laser source and the electron source
must be stable. But the conditions required to maximize the flux of backscattered photons
(low energy electrons, compactness, strong focusing at the interaction point) are likely to
degrade the characteristics and stability of the electron beam that undergoes a half million
once the Compton interaction. The sources of degradation are mainly due to the Compton
interaction as well as multiple Touschek effect (IBS). Furthermore, longitudinal phase space
of electrons is also undergoing turbulent effects due to mismatch, non-linearity of optics, as
well as collective effects as space charge force, coherent synchrotron radiation (CSR), or
impedance. As the dynamics of electrons is not damped, this damage has a significant impact
on both the flux of backscattered photons but also on its spectral characteristics.
The proposed thesis will focus on the study of transverse and longitudinal instabilities. They
may be due to the impedance of the vacuum chamber and the surrounding elements as well as
ions of the residual vacuum. The first part will cover the longitudinal and transverse
impedance. The impedance elements seen by the beam (Beam Position Monitor, bellows,
flanges, optical cavity at the interaction point) will be simulated and measured on a test bench
with a radio-frequency expert. The contributions will be included in the simulations of the
dynamics of electrons to evaluate induced degradation of the electron beam. The analytical
part relevant for such assessment will be pushed according to the student’s profile. Another
aim of the thesis will focus on the coupling of different instabilities related to the impedance
with those due to ions of the residual vacuum. Indeed, the coupled dynamics of electrons and
ions circulating in the vacuum chamber results in a limitation of the electron density, but also
to transverse instabilities hard to control due to the rapidity of the rise time of these
instabilities. Due to the passage of the electron beam in their vicinity, the ions are also subject
to longitudinal displacement along the ring whose velocity depends on the magnetic optics of
the ring, leading to accumulation points. The effect of these shifts in the dipoles has to be
simulated for evaluating the efficiency of the ion cleaning. The objective will be to study the
dynamics of electrons and ions in the presence of longitudinal displacements of the ions. This
dynamics will also be studied with collective effects such as impedance.
The detailed plan of the thesis is:
Evaluation of the impedance, measurement and impact on the electron beam:
ü Modeling of the vacuum chamber and components (BPM, bellows, flange vacuum
chamber at the point of interaction, etc.) : simulations with CST
ü Measure of absorbed frequencies in different elements : definition of the test bench,
control, assembly, measurement, comparison with CST simulations.
ü Extract the impedance values according to the dynamics simulation tool selected for
the electron beam
ü Discussion of the results of electron dynamics simulations, study of specific
diagnostics means which could be used when starting ThomX
Modelling of instabilities due to ions:
ü Study of the longitudinal distribution of ions along the ring, taking into account the
magnetic fields of the dipoles: insertion of the model into an existing code,
verification of the ion cleaning efficiency from the electrodes and of the the injection
gap.
ü Coupling of longitudinal and transverse dynamics of ions with the electron beam:
modeling, modification of an existing code, study of the impact on the tune, on the
electron beam stability
ü Discussion of the results of electron dynamics simulations, study of specific
measurement means which could be used when starting ThomX
ü Study of changes of the instability (frequency, threshold, intensity) due to ions in the
presence of instability due to the impedance of the vacuum chamber.
These studies will lead to realistic modeling and fast simulation to assess and understand the
expected degradation of the electron beam during startup of ThomX. According to the
progress schedule of the ThomX construction, measures will be possible during
commissioning.
The thesis is part of the ThomX project, which aims at developing an intense and compact Xray
source for use in a medical environment or art history. ThomX is an equipement of
excellence funded by the French National Research Agency, CNRS, IN2P3 and Université
Paris Sud. This project brings together institutional partners and French industrialists; it
brings centers of excellence in the field of accelerators, power lasers and X-ray detection. The
candidate will be part of the THOMX team of scientists, engineers and technicians. Regular
meetings will be held to discuss the results and the progress of the thesis with « dynamic
beam » team of the Accelerator department and with the machine group of Synchrotron
SOLEIL.
Supervisors :
Christelle Bruni, bruni@lal.in2p3.fr, 01.64.46.83.51
Pierre Lepercq,
Ryutaro Nagaoka,
Interested students are encouraged to quickly send their resume and a cover letter to
bruni@lal.in2p3.fr
Funding :
The thesis is funded according a sufficient academic level of the student.
ED PHENIICS