Faculté des sciences

Bunch frequency multiplication by RF injection into an isochronous ring

Royer, Philippe ; Schneider, Olivier (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Lausanne : 2003.

La collaboration CLIC (Compact LInear Collider, collisionneur linéaire compact) étudie la possibilité de réaliser un collisionneur électron-positon linéaire à haute énergie (3 TeV dans le centre de masse) et haute luminosité (1034 cm-2s-1), pour la recherche en physique des particules. Le projet CLIC se fonde sur l'utilisation de cavités accélératrices à haute fréquence (30 GHz). La... Plus

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    Résumé
    La collaboration CLIC (Compact LInear Collider, collisionneur linéaire compact) étudie la possibilité de réaliser un collisionneur électron-positon linéaire à haute énergie (3 TeV dans le centre de masse) et haute luminosité (1034 cm-2s-1), pour la recherche en physique des particules. Le projet CLIC se fonde sur l'utilisation de cavités accélératrices à haute fréquence (30 GHz). La puissance nécessaire à ces cavités est fournie par un faisceau d'électrons de basse énergie et de haute intensité, appelé faisceau de puissance, circulant parallèlement à l'accélérateur linéaire principal (procédé appelé « Accélération à Double Faisceau »). Dans ce schéma, un des principaux défis est la réalisation du faisceau de puissance, qui est d'abord généré dans un complexe accélérateur à basse fréquence, puis transformé pour obtenir une structure temporelle à haute fréquence nécessaire à l'alimentation des cavités accélératrices de l'accélérateur linéaire principal. La structure temporelle à haute fréquence des paquets d'électrons est obtenue par le procédé de multiplication de fréquence, dont la manipulation principale consiste à faire circuler le faisceau d'électrons dans un anneau isochrone en utilisant des déflecteurs radio-fréquence (déflecteurs RF) pour injecter et combiner les paquets d'électrons. Cependant, ce type de manipulation n'a jamais été réalisé auparavant et la première phase de la troisième installation de test pour CLIC (CLIC Test Facility 3 ou CTF3) a pour but la démonstration à faible charge du procédé de multiplication de fréquence par injection RF dans un anneau isochrone. Cette expérience, qui a été réalisée avec succès au CERN au cours de l'année 2002 en utilisant une version modifiée du pré-injecteur du grand collisionneur électron-positon LEP (Large Electron Positron), est le sujet central de ce rapport. L'expérience de combinaison des paquets d'électrons consiste à accélérer cinq impulsions dont les paquets d'électrons sont espacés de 10 cm, puis à les combiner dans un anneau isochrone pour obtenir une seule impulsion dont les paquets d'électrons sont espacés de 2 cm, multipliant ainsi la fréquence des paquets d'électrons, ainsi que la charge par impulsion, par cinq. Cette combinaison est réalisée au moyen de structures RF résonnantes sur un mode déflecteur, qui créent dans l'anneau une déformation locale et dépendante du temps de l'orbite du faisceau. Ce mécanisme impose plusieurs contraintes de dynamique de faisceau comme l'isochronicité, ainsi que des tolérances spécifiques sur les paquets d'électrons, qui sont définies dans ce rapport. Les études pour la conception de la Phase Préliminaire du CTF3 sont détaillées, en particulier le nouveau procédé d'injection avec les déflecteurs RF. Les tests de haute puissance réalisés sur ces cavités déflectrices avant leur installation dans l'anneau sont également décrits. L'activité de mise en fonctionnement de l'expérience est présentée en comparant les mesures faites avec le faisceau aux simulations et calculs théoriques. Finalement, les expériences de multiplication de fréquence des paquets d'électrons sont décrites et analysées. On montre qu'une très bonne efficacité de combinaison est possible après optimisation des paramètres de l'injection et des déflecteurs RF. En plus de l'expérience acquise sur l'utilisation de ces déflecteurs, des conclusions importantes pour les futures activités CTF3 et CLIC sont tirées de cette première démonstration de la multiplication de fréquence des paquets d'électrons par injection RF dans un anneau isochrone.
    Summary
    The Compact LInear Collider (CLIC) collaboration studies the possibility of building a multi-TeV (3 TeV centre-of-mass), high-luminosity (1034 cm-2s-1) electron-positron collider for particle physics. The CLIC scheme is based on high-frequency (30 GHz) linear accelerators powered by a low-energy, high-intensity drive beam running parallel to the main linear accelerators (Two-Beam Acceleration concept). One of the main challenges to realize this scheme is to generate the drive beam in a low-frequency accelerator and to achieve the required high-frequency bunch structure needed for the final acceleration. In order to provide bunch frequency multiplication, the main manipulation consists in sending the beam through an isochronous combiner ring using radio-frequency (RF) deflectors to inject and combine electron bunches. However, such a scheme has never been used before, and the first stage of the CLIC Test Facility 3 (CTF3) project aims at a low-charge demonstration of the bunch frequency multiplication by RF injection into an isochronous ring. This proof-of-principle experiment, which was successfully performed at CERN in 2002 using a modified version of the LEP (Large Electron Positron) pre-injector complex, is the central subject of this report. The bunch combination experiment consists in accelerating in a linear accelerator five pulses in which the electron bunches are spaced by 10 cm, and combining them in an isochronous ring to obtain one pulse in which the electron bunches are spaced by 2 cm, thus achieving a bunch frequency multiplication of a factor five, and increasing the charge per pulse by a factor five. The combination is done by means of RF deflecting cavities that create a time-dependent bump inside the ring, thus allowing the interleaving of the bunches of the five pulses. This process imposes several beam dynamics constraints, such as isochronicity, and specific tolerances on the electron bunches that are defined in this report. The design studies of the CTF3 Preliminary Phase are detailed, with emphasis on the novel injection process using RF deflectors. The high power tests performed on the RF deflectors prior to their installation in the ring are also reported. The commissioning activity is presented by comparing beam measurements to model simulations and theoretical expectations. Eventually, the bunch frequency multiplication experiments are described and analysed. It is shown that the process of bunch frequency multiplication is feasible with a very good efficiency after a careful optimisation of the injection and RF deflector parameters. In addition to the experience acquired in the operation of these RF deflectors, important conclusions for future CTF3 and CLIC activities are drawn from this first demonstration of the bunch frequency multiplication by RF injection into an isochronous ring.
    Summary
    La collaboration CLIC (Compact LInear Collider, collisionneur linéaire compact) étudie la possibilité de réaliser un collisionneur électron-positon linéaire à haute énergie (3 TeV) pour la recherche en physique des particules. Le projet CLIC se fonde sur l'utilisation de cavités accélératrices à haute fréquence (30 GHz). La puissance nécessaire à ces cavités est fournie par un faisceau d'électrons de basse énergie et de haut courant, appelé faisceau de puissance, circulant parallèlement à l'accélérateur linéaire principal (procédé appelé « Accélération à Double Faisceau »). Dans ce schéma, un des principaux défis est la réalisation du faisceau de puissance, qui est d'abord généré dans un complexe accélérateur à basse fréquence, puis transformé pour obtenir une structure temporelle à haute fréquence nécessaire à l'alimentation des cavités accélératrices de l'accélérateur linéaire principal. La structure temporelle à haute fréquence des paquets d'électrons est obtenue par le procédé de multiplication de fréquence, dont la manipulation principale consiste à faire circuler le faisceau d'électrons dans un anneau isochrone en utilisant des déflecteurs radio-fréquence (déflecteurs RF) pour injecter et combiner les paquets d'électrons. Cependant, ce type de manipulation n'a jamais été réalisé auparavant et la première phase de la troisième installation de test pour CLIC (CLIC Test Facility 3 ou CTF3) a pour but la démonstration à faible charge du procédé de multiplication de fréquence par injection RF dans un anneau isochrone. L'expérience consiste à accélérer cinq impulsions, puis à les combiner dans un anneau isochrone pour obtenir une seule impulsion dans laquelle la fréquence des paquets d'électrons et le courant sont multipliés par cinq. Cette combinaison est réalisée au moyen de structures déflectrices RF qui créent dans l'anneau une déformation locale et dépendante du temps de la trajectoire du faisceau. Les résultats de cette expérience, qui a été réalisée avec succès au CERN au cours de l’année 2002 en utilisant une version modifiée du pré-injecteur du grand collisionneur électron-positon LEP (Large Electron Positon), sont présentés en détail.