Etude des effets transitoires de la compensation de charge d'espace sur la dynamique d'un faisceau intense
Institution:
Paris 11Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
A main interest in the design of ion accelerators is the control of the dynamics of intense beams at low energy. This dynamics is dominated by nonlinear effects of the Space Charge (SC) field. This SC field induces a halo formation what can induce losses along the transport. Once ionized by the beam, the residual gas, diffused by the source and produced by the desorption of the vacuum chamber of the accelerator, contributes to the production of electrons and ions. According to their sign of charge compared to the beam, these particles will be repelled or confined. The accumulation of particles in the beam contributes to the compensation of the SC field. However, this neutralization induces others non linearity which are dependent on time. This thesis presents an experimental and theoretical work of the SC compensation for ion beams (H + and H -). The dynamics of these beams is modelled by a new PIC code, CARTAGO, ensuring the coupling between the created plasma and the studied beams. A single-particle study introduces the dynamics of the plasma in presence of the SC field and of an external magnetic field. The modelization of the compensation with the 1D version of CARTAGO code gave the establishment times and the compensation degrees for several cases of beams and various gas pressures. The compensation of a protons beam was studied more particularly in the low-energy line of the Injector of Protons of High Intensity (IPHI) at Saclay. Experimental confrontations of the 2D (r,z) modelization results in a part of this line are also detailed.
Abstract FR:
L'un des défis dans la réalisation des accélérateurs d'ions est la maîtrise de la dynamique des faisceaux intenses à basse énergie. Cette dynamique est dominée par des effets non linéaires du champ de Charge d'Espace (CE). Ce champ est une source de formation d'un halo pouvant induire des pertes le long du transport. Une fois ionisé par le faisceau, le gaz résiduel, diffusé par la source et produit par la désorption des parois internes de l'accélérateur, contribue à la production d'électrons et d'ions. Suivant leur signe de charge par rapport au faisceau, ces particules seront repoussées ou confinées. L'accumulation de particules dans le faisceau contribue à la compensation du champ de CE. Cette neutralisation entraîne cependant de nouvelles non linéarités variables dans le temps. Cette thèse présente des travaux expérimentaux et de modélisation de la compensation de CE pour des faisceaux d'ions (H + ou H -). La dynamique de ces faisceaux est modélisée par un nouveau code PIC, CARTAGO, assurant le couplage entre le plasma créé et ces faisceaux. Une étude mono particulaire introduit la dynamique du plasma en présence du champ de CE et d'un champ magnétique extérieur. La modélisation de la compensation avec la version 1D du code a permis de donner les temps d'établissement et les degrés de compensation pour plusieurs cas de faisceaux et différentes pressions de gaz. La compensation d'un faisceau de protons a été étudiée plus particulièrement dans la ligne basse énergie de l'Injecteur de Protons de Haute Intensité (IPHI) de Saclay. Des confrontations expérimentales des résultats de modélisation 2D (r,z) dans une partie de cette ligne sont aussi détaillées.