Thèse Étude des Systèmes de Cavités Harmoniques Passives et Actives pour Soleil Ii H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Image, Cosmos et Simulation Laboratoire de recherche : Synchrotron SOLEIL Direction de la thèse : Alexis GAMELIN ORCID 0000000311046728 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-09-30T23:59:59 Les sources de rayonnement synchrotron de quatrième génération, basées sur des anneaux de stockage à faible émittance, voient leurs performances limitées par les effets collectifs liés aux très fortes densités de faisceau, notamment la diffusion intra-faisceau (IBS) et la diffusion Touschek. Pour atténuer ces effets, des cavités harmoniques sont employées afin d'allonger les paquets d'électrons dans la direction longitudinale, réduisant ainsi leur densité et permettant de conserver une brillance élevée ainsi qu'une durée de vie du faisceau compatible avec les contraintes radiologiques en vigueur.

Dans le cadre de la mise à niveau de SOLEIL vers SOLEIL II, des cavités harmoniques passives chaudes seront installées. Elles disposeront d'un port de couplage autorisant, si nécessaire, un passage à un fonctionnement actif. Les premiers de série des cavités fondamentales et harmoniques seront installés et testés sur SOLEIL avant leur mise en place définitive, offrant une opportunité rare de validation expérimentale en conditions réelles.

Le bon fonctionnement d'un tel système double RF repose de façon critique sur une boucle de rétroaction appliquée aux cavités fondamentales, destinée à élargir leur bande passante et à éviter l'instabilité dipôle-quadrupôle qui limite l'allongement des paquets. Le feedback LLRF I/Q développé pour SOLEIL II devrait remplir ce rôle, mais plusieurs incertitudes subsistent : il n'a pas encore été modélisé dans les simulations de dynamique longitudinale (mbtrack2), et ces simulations montrent qu'un gain proportionnel trop élevé peut, pour un feedback de type amplitude/phase, déclencher l'instabilité même qu'il est censé combattre. Par ailleurs, les cavités passives imposent des contraintes opérationnelles spécifiques : un courant moyen suffisamment élevé pour induire la tension requise, et un remplissage régulier des paquets, sous peine de variations de phase et de longueur le long du train sous l'effet de la charge de faisceau transitoire.

La thèse poursuit deux objectifs. Le premier est de valider le système LLRF I/Q de SOLEIL II : modélisation du feedback I/Q dans mbtrack2, quantification du risque d'autodéclenchement de l'instabilité dipôle-quadrupôle en fonction du gain, modélisation d'un feedback de phase sur le mode 0 analogue à celui exploité à MAX IV et optimisation conjointe des deux boucles, puis participation aux tests d'installation et de mise en service des cavités SOLEIL II sur SOLEIL et validation expérimentale des modèles. Le second objectif porte sur le fonctionnement actif de la cavité harmonique : étude des instabilités de faisceau en régime actif, étude des boucles de rétroaction RF nécessaires à la stabilisation du double système RF actif, et caractérisation du gain de flexibilité obtenu à faible courant et pour des remplissages exotiques.

À plus long terme, le travail ouvre sur la compensation de l'effet de charge transitoire, au moyen d'une cavité active ou d'une cavité kicker large bande, qui permettrait un allongement complet des paquets même en présence de trous dans le remplissage, ainsi que sur l'étude des systèmes multi-harmoniques, encore inexplorés du point de vue de la stabilité du faisceau. Projet SOLEIL II de construction de nouveaux accélérateurs pour le Synchrotron SOLEIL:
https://www.synchrotron-soleil.fr/fr/actualites/un-pas-de-plus-vers-soleil-ii-14-mars-2025 Voir résumé du sujet.

L'étudiant doit avoir suivi des cours de physique des accélérateurs dans le cadre de son programme de master.

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