C. Caractéristiques faisceau et diagnostics associés
3. Dimensions du faisceau
a)
Caractéristiques
Profil
Pour mieux comprendre le faisceau, il est important de connaitre l’agencement des particules. Cependant, il est impossible de connaitre précisément l’emplacement de chaque particule à un instant donné. Dans cette partie, on se focalisera sur les dimensions transverses du faisceau. Il est possible d’appréhender la structure du faisceau en mesurant ses dimensions spatiales transverses et sa répartition d’intensité (proportionnelle au nombre de particules). L’agencement spatial des particules au sein du faisceau est appelé distribution. On parlera de « profil » pour la projection de la distribution sur un axe transverse. De manière générale, La distribution des particules n’est pas uniforme. Elle est souvent associée à une distribution gaussienne à deux dimensions (suivant chaque axe transverse).
𝑓(𝑥) = 1 𝜎𝑥√2𝜋 𝑒− (𝑥−𝜇𝑥)² 2𝜎𝑥² 𝑓(𝑦) = 1 𝜎𝑦√2𝜋 𝑒− (𝑦−𝜇𝑦)² 2𝜎𝑦²
𝜇 est l'espérance mathématique 𝜎 est l'écart type.
Figure 13 : Simulation TraceWin [13] de la distribution transversale d’un faisceau gaussien La Figure 13 représente un exemple de distribution de faisceau à deux dimensions. On peut voir sur la représentation du haut les deux profils associés.
Souvent le cœur gaussien du faisceau est accompagné d’un halo de particule. Le cœur est composé de la majorité des particules du faisceau et représente donc la meilleure description du faisceau. Une petite portion des particules du faisceau s’éloigne fortement de la trajectoire de référence. Ces particules constituent le halo dont les dimensions transverses sont bien plus grandes que celles du cœur gaussien. La contribution du halo dans les mesures de distribution et de profil est faible en raison de la proportion du faisceau qu’il représente [14]. C’est pourquoi, dans cet exposé, nous nous focaliserons sur les caractéristiques du cœur du faisceau indépendamment du halo.
Y
Y
X X
b)
Diagnostics
Il existe plusieurs diagnostics interceptifs ou non interceptifs permettant de mesurer le(s) profil(s) et/ou la distribution du faisceau. [15]
Moniteur de profil par fluorescence (FPM)
On peut mesurer les profils grâce à la lumière émise par l’interaction du gaz résiduel avec le faisceau c’est le principe sur lequel repose les Fluorescence Profile Monitor (FPM) (Figure 14).
Figure 14 : Mesure de profil par un FPM sur le Banc d’étude et de Test des Sources d’Ions (BETSI) et schéma de principe
Les mesures de profil sont réalisées entre les lignes verte et rouge, verticales perpendiculaires à l’axe de propagation du faisceau.
Cette mesure non interceptive est possible grâce à la lumière émise par l’excitation- désexcitation des molécules du gaz résiduel au contact du faisceau (expliqué précédemment I.C.1.a). Une caméra placée à l’extérieure de la ligne mesure cette lumière à travers un hublot. Cependant, cette mesure n’est possible que dans la LBE en raison du besoin de gaz résiduel. Cette mesure des profils peut être étendue à la mesure de distribution grâce à la tomographie. La mesure de six profils autour du faisceau permet la reconstruction de la distribution [16].
Moniteur de profil par ionisation (IPM)
Il existe aussi un système nommé Ionization Profile Monitor (IPM) [17]. Son principe de fonctionnement repose sur l’ionisation du gaz résiduel qui, grâce à champ électrique, collecte les ions ou les électrons sur des strips ou autre système de lecture. Ce système a l’avantage d’être non interceptif.
Figure 15 : Photographie de l’IPM du projet IFMIF-EVEDA démonté et schéma de principe On voit sur le schéma que lorsque la tension est appliquée à l’électrode les particules positives se dirigent naturellement vers les collecteurs du détecteur.
Profileur à fils
La mesure de profil peut également être basée sur la mesure du courant d’émission secondaire à plusieurs positions transverses dans le faisceau. Il s’agit alors de mesures interceptives. La mesure repose sur l’interaction du faisceau avec un ou plusieurs fils. L’émission d’électrons secondaires lors de cette interaction induit un courant dans le(s) fil(s) qui est mesurable. Le dimensionnement du (des) fil(s) de ce diagnostic est défini par la taille, l’énergie et la distribution en profondeur du dépôt d'énergie du faisceau mesuré.
Cette méthode offre deux déclinaisons :
Plusieurs fils parallèles sont répartis suivant l’axe de mesure et on réalise une mesure instantanée.
Un fil unique balaye l’ensemble du faisceau suivant l’axe de mesure.
Le wire scanner (Figure 16) est une utilisation de la seconde méthode de mesure. Les deux fils perpendiculaires mesurent les deux profils transverses. L’ajout d’un troisième fil à 45° permet d’obtenir l’orientation du faisceau.
Figure 16 : Schéma de principe et mesures du Wire scanner développé par le LPSC Grenoble pour le projet MYRTE
Les mesures de profils correspondent à un test réalisé au LPSC. Il s’agit d’un faisceau de deutons d’1A à 30 keV.
Cette mesure est rapide et perturbe peu le faisceau bien qu’elle soit considérée comme interceptive.
Mesure de distribution par scintillateur
L’utilisation d‘écrans scintillants offre la possibilité de mesurer directement la distribution deux dimensions de manière interceptive. Mais ces mesures restent sujettes à des limitations contraignantes en terme d’énergie et de courant. Ces systèmes peuvent se dégrader très vite.
Figure 17 : Schéma de fonctionnement et interface d'un profileur 2D par scintillateur
Le faisceau impacte directement ou indirectement un écran scintillant placé sur sa trajectoire. La lumière émise par le scintillateur est mesurée par une caméra placée à l’extérieur de la chambre (Figure 17).
Le principe de tous les profileurs reste commun : il faut échantillonner la mesure de densité de faisceau suivant un axe transverse ou les deux pour obtenir le profil transverse ou la distribution du faisceau. Plus l’échantillonnage est fin plus le système sera précis. La distribution peut être normalisée au courant total du faisceau.
La mesure de la distribution (2D) est différente de la mesure des deux profils transverses (2x1D). En effet, la connaissance des deux profils ne permet pas de reconstruire la distribution exacte. La reconstruction partielle d’une distribution à partir des profils sera toujours de la forme d’une ellipse sans angle par manque d’informations sur la corrélation des deux axes. Toutefois la distribution spatiale seule, même extrêmement précise, est insuffisante pour la dynamique faisceau. Pour connaitre les trajectoires des particules, il faut connaitre leurs angles de propagation 𝑥’ et 𝑦’. Pour tenir compte de la tendance des particules à diverger, il est nécessaire d’effectuer des projections dans l’espace à quatre dimensions 𝑥𝑥’𝑦𝑦’ . La connaissance de cet espace est appelée émittance. Cette caractéristique est très importante et fera l’objet de plus de détails dans les chapitres suivants car elle est le sujet central de cette thèse.
D.
Conclusion
Les accélérateurs de particules sont donc un domaine très complexe en constante évolution. Les problématiques varient en fonction du type d’accélérateur, de ses fonctions et de ses caractéristiques fondamentales (énergie, courant et type de particules) et requiert des experts dans de nombreux domaines pour développer, réaliser et faire fonctionner ces grands
instruments. La réalisation des instruments de mesure associés nécessite les mêmes qualifications car ils sont indispensables au bon fonctionnement des accélérateurs de particules.
Le rôle des diagnostics faisceau est de fournir toutes les informations nécessaires pour faire fonctionner une installation accélératrice suivant ses spécifications, de contrôler et de maintenir un fonctionnement « normal ». Ils ont aussi l’objectif de prévenir et protéger les équipements en cas de dysfonctionnement.
Enfin, les principales caractéristiques du faisceau que l’on souhaite mesurer à l’aide des diagnostics dans le cadre des injecteurs de protons sont son intensité, sa distribution spatiale, son émittance et sa composition ionique. Celles-ci doivent être strictement contrôlées pour permettre la progression du faisceau dans les autres étages de l’accélérateur