Les performances des sources synchrotron de quatrième génération basées sur des anneaux de stockage peuvent être limitées par des effets collectifs statistiques induits par les densités de faisceau très élevées obtenues dans ces machines, tels que la diffusion intra-faisceau (IBS) et la diffusion Touschek. Pour atténuer ces effets, des cavités harmoniques sont souvent utilisées pour étirer le faisceau dans le sens longitudinal afin de réduire sa densité électronique et de restituer à l'utilisateur une brillance élevée et une durée de vie compatible avec les contraintes radiologiques en vigueur. Pour SOLEIL II, la mise à niveau de la source de rayonnement synchrotron française SOLEIL comportera l'installation de cavités harmoniques passives chaudes. Ces cavités disposeront d'un port de couplage permettant le passage à un fonctionnement en régime actif. Avant leur installation définitive sur SOLEIL II, les premiers de série des cavités fondamentales et harmoniques seront installés et testés sur SOLEIL, offrant une opportunité unique de validation expérimentale en conditions réelles.
2. Problématique scientifique
Stabilité du faisceau avec le système de feedback IQ (In-Phase/Quadrature)
Le bon fonctionnement du système RF combinant cavités fondamentales actives et harmoniques passives nécessite impérativement la présence d'un feedback sur les cavités fondamentales pour pouvoir élargir la bande passante des cavités principales pour éviter l'instabilité dipôle-quadrupôle du faisceau qui constitue une limite à l'allongement des paquets d'électrons. Le feedback LLRF (Low Level RF) I/Q développé pour SOLEIL II devrait pouvoir répondre à cette demande, mais plusieurs incertitudes demeurent :
• Ce feedback n'a pas été modélisé dans les simulations de dynamique longitudinale (mbtrack2).
• Les simulations de dynamique longitudinale montrent qu'un gain proportionnel trop élevé pour un type de feedback similaire (amplitude/phase) peut, dans certaines conditions, déclencher l'instabilité qu'il est censé combattre, ce qui pourrait sévèrement limiter l'efficacité des cavités harmoniques.
• Un feedback de phase pour atténuer les oscillations sur le mode 0, comme celui qui est en opération à MAX IV devrait pouvoir être intégré au système LLRF développé pour SOLEIL II. Ces différents feedbacks doivent être modélisés dans le code mbtrack2 pour évaluer leurs performances respectives.
Contraintes opérationnelles des cavités passives
L'utilisation de cavités harmoniques passives entraîne également des contraintes opérationnelles par rapport à un système actif.
3. Objectifs et plan de travail
Le premier objectif est de s'assurer que les solutions choisies permettront d'atteindre les performances d'allongement des paquets visées pour SOLEIL II. Le second est l'étude des schémas d'allongement du faisceau, ce qui pourrait constituer une alternative à long terme pour fournir des paquets plus longs ou une flexibilité accrue des modes opérationnels.
Le/la doctorant(e) sera intégré(e) au sein du groupe Physique des Accélérateurs du Synchrotron SOLEIL, en lien étroit avec le groupe RF. Il/elle bénéficiera de l'accès à la machine SOLEIL pour la validation expérimentale et participera aux développements en cours pour SOLEIL II.
Le financement sera assuré par un contrat doctoral sur 3 ans.
Implanté sur le plateau Paris-Saclay, à environ 20 kilomètres de la capitale, le synchrotron SOLEIL est l'une des principales infrastructures de recherche françaises. Depuis sa mise en service en 2008, il est au service des communautés scientifiques nationales et internationales. Les recherches effectuées à SOLEIL couvrent un large éventail de domaines scientifiques et industriels (physique, biologie, chimie, science des matériaux, environnement, sciences de la Terre et patrimoine culturel et naturel) en lien avec les enjeux sociétaux actuels. Les expériences menées sur les lignes de lumière s'appuient sur l'exploitation de la lumière synchrotron émise par des électrons accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière au sein d'un anneau de stockage. SOLEIL est placé sous la double tutelle du CNRS et du CEA, et offre à son personnel un environnement de travail à la fois dynamique, innovant, pluridisciplinaire et international.
À la pointe de la technologie, SOLEIL II est un projet ambitieux qui a pour objectif de fournir à la recherche scientifique et industrielle de nouvelles opportunités. SOLEIL II consiste en une modernisation d'envergure de l'infrastructure existante et vise à l’amélioration significative des performances des accélérateurs d’électrons et des lignes de lumière. Il est conçu pour répondre aux défis sociétaux majeurs actuels et futurs, notamment dans des domaines tels que la recherche sur les matériaux avancés, l'énergie et le développement durable, la santé et le bien-être, l'environnement. Les travaux de construction du projet SOLEIL II ont été lancés en 2024, marquant le début d'une phase de développement et d'innovation technologique. En parallèle, il est prévu que le fonctionnement de l'installation existante soit maintenu jusqu'à l'automne 2028. Le démarrage de SOLEIL II est programmé pour 2030, avec une montée en puissance progressive jusqu'en 2035.
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