Ce qu'il faut retenir pour les accélérateurs de particules. Vidéos préenregistrées du MOOC ARIES à visionner avant la session de révision en direct du premier jour.
Elias METRAL
Champs et forces / Accélération par des champs variant dans le temps / Équations relativistes
Aperçu de l'accélération / Facteur de temps de transit / Principaux paramètres RF / Facteur de compaction du momentum / Énergie de transition
Équations relatives aux synchrotrons / Particule synchrone / Oscillations du synchrotron / Principe de stabilité de phase
Accélération RF pour les particules synchrones et non-synchrones / Oscillations de petite et grande amplitude
Prérequis : mécanique classique et électromagnétisme
Alexandre LASHEEN
Exemple d'un anneau de stockage simple : effets non linéaires d'un seul sextupôle / Portraits de l'espace de phase à proximité des résonances / Diagrammes de résonance / Hamiltonien du mouvement non linéaire du bêtatron et termes de conduite de la résonance / Topologie de la résonance et début du chaos, critère de chevauchement des résonances / Suppression des résonances par la symétrie du réseau / Compensation des résonances individuelles par des aimants correcteurs / Ouverture dynamique / Analyse de la carte de fréquences / Optimisation du réseau par suivi / Utilisation des résonances : extraction lente résonante et extraction multi-tours
Davide GAMBA
Introduction aux sources de rayonnement synchrotron / Rayonnement des particules chargées accélérées / Rayonnement des aimants de flexion / Rayonnement des onduleurs et wigglers / Dynamique des électrons avec le rayonnement / Brillance et réseaux à faible émittance / Introduction aux FELs / Atelier : "Concevez votre source de lumière"
Rasmus ISCHEBECK
Les conférences couvrent :
Aspects généraux des collisions de particules : choix des espèces de particules, différents agencements ; définition de la géométrie avec des aimants de flexion, focalisation des faisceaux de particules avec des quadripôles ; examen du formalisme matriciel, de l'ellipse de l'espace de phase, de l'émittance, de l'avance de phase, de l'accord et de la chromaticité ; caractéristiques et critères de conception des anneaux de stockage des hadrons et des leptons ; discussion des différentes cellules de base ; sections pour les cavités RF ; schémas de suppression des dispersions ; caractéristiques des insertions mini-bêta ; luminosité et limitations ; exemples de sections d'appariement.
Atelier :
Travail sur une étude de cas en petits groupes ; proposition d'une conception d'accélérateur basée sur des conditions limites données.
Force de charge d'espace / Effets de la charge d'espace dans les accélérateurs circulaires / Champs de sillage et impédances de couplage / Effets des champs de sillage dans les accélérateurs linéaires : l'exemple du Beam Break Up / Brèves remarques sur les effets des champs de sillage dans les accélérateurs circulaires.
Prérequis - maths : équations différentielles et transformée de Fourier / mécanique : oscillateurs libres et pilotés / électromagnétisme de base et conditions aux limites.
Mauro MIGLIORATI
L'anneau de stockage idéal : Force de Lorentz et quantité de mouvement des particules - définition du champ magnétique directeur / Éléments de focalisation et équation du mouvement / Trajectoires d'une seule particule / Description matricielle des éléments du réseau
Trajectographies des particules dans un accélérateur circulaire : Orbite du faisceau / Oscillation transversale des particules et accord / Définition de la taille du faisceau / Solution générale de l'équation du mouvement : la fonction betatron d'amplitude / Espace de phase d'un ensemble de particules : Emittance du faisceau / Critère de stabilité dans les structures périodiques.
Conception de treillis dans les accélérateurs de particules : Calcul des paramètres optiques / Cellules FoDo : conception et optimisation / Régions d'interaction : l'insertion de faible bêta.
Modification du momentum de la particule : accélération du faisceau et rétrécissement adiabatique de l'émittance / Trajectoires de dispersion / Allongement de l'orbite et facteur de compaction du momentum.
Erreurs de champ et de gradient : Erreurs quadrupolaires et décalage d'accord / La chromaticité et sa correction / Les aimants sextupolaires et l'ouverture dynamique
Introduction aux principes de l'optique des faisceaux / Traitement analytique du mouvement des particules chargées dans les champs électriques et magnétiques / Dispositifs électrostatiques et magnétostatiques de guidage et de focalisation / Equations du mouvement des particules chargées dans les assemblages optiques / Matrice de transport / Espace des phases, émittance, matrice des faisceaux / Exemples de systèmes optiques et leur traitement : spectromètre, séparateur de masse...
Bernhard HOLZER
Une description du potentiel et des limites du code MAD-X sera fournie, ainsi que des astuces de la vie quotidienne et des exemples complets.
Les tutoriels MAD-X seront complémentaires aux tutoriels de dynamique transversale pour mettre en pratique la théorie de la dynamique des poutres transversales.
Objectifs :
- Effectuer des simulations de macroparticules à l'aide d'un code de suivi open-source de pointe
- Simuler plusieurs études de cas en rapport avec le cours
- Jouez avec les paramètres de la poutre et observez l'impact sur la dynamique de la poutre longitudinale.
Benoît SALVANT
Méthodes de base de l'accélération linéaire / Paramètres fondamentaux des structures d'accélération / Gain d'énergie dans les structures d'accélération linéaire / Dynamique d'une seule particule dans les accélérateurs linéaires / Dynamique de plusieurs particules dans les accélérateurs linéaires.
Prérequis : mécanique générale, équations de Maxwell, dynamique relativiste dans les champs magnétiques et électriques, mathématiques pour physiciens et ingénieurs (transformée de Fourier, fonctions de Bessel...).
David ALESINI
Paramètres de performance de l'accélérateur et effets non linéaires
Oscillateurs linéaires et non linéaires : Intégrale et fréquence du mouvement / Pendule / Oscillateur harmonique amorti.
Dynamique de l'espace de phase : Analyse du point fixe
Systèmes non-autonomes : Oscillateur harmonique piloté (amorti) / Conditions de résonance
Équations linéaires à coefficients périodiques - Équations de Hill : Solutions de Floquet et coordonnées normalisées
Théorie des perturbations : oscillateur non linéaire / Perturbation par une fonction périodique - perturbation d'un seul dipôle / Application à un seul multipôle - conditions de résonance / Exemples : perturbation d'un seul quadripôle, sextupôle, octupôle / Perturbation générale multipôle / Exemples : couplage linéaire / Conditions de résonance et choix du point de travail
Les résonances et le chemin vers le chaos : Topologie des résonances d'ordre 3 et 4 / Chemin du chaos et recouvrement des résonances / Ouverture dynamique
Analyse des cartes de fréquence : Algorithme NAFF / Aspects des cartes de fréquence / Cartes de fréquence et de diffusion pour le LHC / Carte de fréquence pour les anneaux leptoniques / Choix du point de travail / Effet faisceau-faisceau
Expériences : Cartes de fréquence expérimentales / Cartes de fréquence de perte de faisceau / Balayage de fréquence de charge spatiale
Hannes BARTOSIK
Injection à un seul tour / Injection hors axe / Injection dans l'espace de phase longitudinal / Adéquation de l'espace de phase / Topping-up / Extraction rapide / Extraction résonante / Aimants à septum et à kicker
Nicola CARMIGNANI
Introduction et principe / Équations de base / Composants et sous-systèmes du cyclotron / Dynamique, stabilité et focalisation du faisceau / Qualité du faisceau et espace de phase / Extraction / Histoire et applications
Bertrand JACQUOT
Objectif du module :
Montrer les principes qui sous-tendent les pratiques discutées dans le module d'ingénierie RF
Thèmes abordés :
Les conférences passent en revue les équations de Maxwell et les équations des ondes électromagnétiques, en particulier pour les champs électromagnétiques harmoniques dans le temps, à la fois dans le vide et dans les milieux pertinents pour la technologie des accélérateurs de particules.
Le problème des valeurs limites de la propagation dans les guides d'ondes métalliques cylindriques est étudié avec des potentiels vectoriels et les différents modes sont discutés. L'exemple du guide d'ondes rectangulaire est développé en détail.
Séance d'exercices :
La session d'exercices traite de la conception d'un guide d'ondes rectangulaire et de la lecture de la simulation électromagnétique 3D des champs dans les structures d'accélération de pointe.
Andrea MOSTACCI
Concepts de base :
- Introduction à l'ingénierie RF pour les accélérateurs de particules
- Lignes de transmission (TEM et guides d'ondes), résonateur cylindrique ("pill-box")
- Ondes stationnaires, diagramme de Smith, paramètres de diffusion
Quelques détails et exemples d'ingénierie RF :
- Structures accélératrices (ondes stationnaires / ondes progressives)
- RF de puissance (klystron, IOT, état solide, multiplicateur, éléments de protection)
- Techniques de mesure RF (détecteur de diodes, oscilloscope, analyseur de spectre,
analyseur de réseau vectoriel)
Participation active des étudiants :
- Quiz, Q&A, exemples de logiciels PC (utilisant par exemple Qucs, HFSS)
Christine VOLLINGER & Manfred WENDT
Fluides cryogéniques / Transfert de chaleur et isolation thermique / Ecran thermique avec vapeur froide / Réfrigération et liquéfaction
Philippe LEBRUN
- La supraconductivité dans les accélérateurs : où la trouve-t-on, pourquoi ? / Aperçu des différentes approches théoriques : validité, applications, limites / Modèles de London, Ginzburg-Landau, BCS / Longueurs caractéristiques / Résistance de surface RF.
- Comportement des vortex : comment il fixe les limites de fonctionnement d'un supraconducteur/ Différence des régimes et des comportements requis pour les applications magnétiques par rapport aux applications RF/ Défauts cristallins et pénétration des vortex/ Défauts cristallins et pinning.
- Optimisation des matériaux SC/Optimisation du filament magnétique : optimisation des centres de pinning/développement de matériaux fragiles/ Matériaux de cavité : préparation de surface/ Nouveaux matériaux SRF.
L'objectif est de fournir aux physiciens non experts en science des matériaux un aperçu de la manière dont les matériaux sont conçus (et doivent être choisis) pour toute application particulière.
Claire ANTOINE
Bases de la science et de la technologie du vide ; Unités physiques / théorie cinétique des gaz / Calculs de l'écoulement des gaz et de la répartition de la pression dans les systèmes complexes sous vide.
Principes fondamentaux des interactions gaz-surface conduisant au dégazage / Physisorption / Chemisorption / Diffusion des gaz dans les solides et phénomènes de surface
Dégazage dynamique sous bombardement de particules
Systèmes de vide, matériaux et composants habituels / Définition de la propreté des surfaces et des masses / Diagnostics et traitements de préparation
Pompes, jauges / Analyseurs de gaz / Détecteurs de fuites
Spécificités des systèmes de vide des accélérateurs / Dispositifs de pompage groupés ou distribués / Examen général des interactions entre le faisceau et le vide et des problèmes connexes.
Vincent BAGLIN - Roberto KERSEVAN
Sources de particules. Le cours passera en revue les différents types de sources de particules et leurs productions :
Propriétés d'émission d'électrons (émission thermique, émission de champ, émission induite par des photons) / Sources d'électrons et source de positrons
Introduction à la production d'ions et quelques concepts de base
Différents types de sources d'ions : sources d'ions proton/1+, sources d'ions H- / Sources d'ions hautement chargés / Faisceaux d'ions radioactifs
Accélérateurs d'électrons à faible énergie
Thomas THUILLER
Après une brève présentation de la société IBA, la première partie du cours traite de l'utilisation des cyclotrons pour les applications médicales. Des aspects tels que la conception magnétique, la conception de la région centrale, les sources d'ions internes ou externes, la cartographie du champ magnétique et l'extraction du faisceau sont abordés. Certaines caractéristiques des cibles pour les radio-isotopes sont également présentées.
La deuxième partie du cours traite de la thérapie du cancer par les particules. Les principales exigences et les principaux sous-systèmes de l'installation de protonthérapie sont expliqués. La solution des cyclotrons pour la protonthérapie et la thérapie au carbone est couverte et le dernier développement des synchrocyclotrons supraconducteurs pour la protonthérapie est examiné en détail.
La troisième partie du cours traite du Rhodotron, un accélérateur d'électrons utilisé pour des applications industrielles.
Métrologie géodésique et études de cas
Jean-Christophe GAYDE
Principes de base de la radiophysique et règles de radioprotection : les différentes sources de rayonnement ionisant importantes autour des accélérateurs et leurs interactions avec la matière / Le blindage des accélérateurs d'électrons, des accélérateurs de protons et des lignes de faisceaux synchrotron / La surveillance des rayonnements
Systèmes de sécurité du personnel
Xavier QUERALT
Motivation pour l'utilisation des cavités SC (exemple du LEP)/Comparaison de l'impédance de surface RF normale et supraconductrice/Comment mesurer l'impédance de surface RF pour un matériau SC/Paramètres qui entrent dans la conception des cavités et des résonateurs SC/le coupleur principal et le coupleur HOM (mode d'ordre supérieur)/Méthodes de mesure de la valeur Q/Couplage au générateur/Obscillations mécaniques de la force de Lorentz/Exemples de diagnostics in situ des défauts de surface/quelques exemples d'applications.
Fritz CASPERS
Ce cours se veut une introduction à la technologie des aimants en se concentrant sur les électro-aimants à conduction normale et à dominante fer.
Les principaux objectifs sont de créer une compréhension fondamentale des électro-aimants utilisés pour les accélérateurs de particules et les lignes de transfert de faisceaux, de fournir un guide avec des instructions pour commencer la conception d'un aimant d'accélérateur standard et de présenter les aspects liés à la construction, la fabrication, les tests et les mesures des aimants.
La partie théorique sera entrecoupée d'un certain nombre d'exemples pratiques et d'une étude de cas où les étudiants devront concevoir un aimant du monde réel pour un accélérateur de particules médical.
Introduction : Contexte historique / Équations de Maxwell / Description du champ par les multipôles / Principes et concepts de base des aimants d'accélérateur / Le rôle du circuit magnétique / Particularités de l'acier magnétique / Types d'aimants et leurs fonctions.
Conception analytique des aimants : Comprendre les besoins / Le processus de conception analytique / Les composants de l'aimant et leur fonction / Conception du circuit magnétique / Dimensionnement de la bobine et schéma de refroidissement.
Fabrication des aimants : Le cycle de vie de l'aimant / Le processus de fabrication / Sélection des matériaux : acier magnétique, matériaux d'isolation, matériaux conducteurs / Techniques de production modernes / Composants auxiliaires de l'aimant / Estimation et optimisation des coûts.
Conception numérique appliquée : le processus de conception numérique / Construction d'un modèle 2D par éléments finis / Interprétation des résultats / Amélioration de la qualité du champ et optimisation du profil polaire / L'importance des tolérances mécaniques et la conséquence des erreurs d'assemblage / Limites des calculs numériques
Jérémie BAUCHE
Accélérateurs de particules et aimants / Dipôles et quadripôles / Supraconductivité / Supraconducteurs pratiques / Fils / Câbles / Conception magnétique / Champ dipôle et quadripôle parfaits / Représentation du champ / Dipôle et quadripôle sectoriels / Champ maximal et gradient / Épaisseur de la bobine / Culasse en fer / Fabrication de la bobine / Forces / Contraintes / Précontraintes / Structures de support / Trempe / Protection / Formation
Paolo FERRACIN
Le cours donne une vue d'ensemble des instruments de diagnostic de faisceau les plus fréquemment utilisés dans les accélérateurs d'électrons et de protons, en accordant une importance à peu près égale aux LINACs et aux synchrotrons. En outre, les applications de leur utilisation pendant l'exploitation et les recherches sur la physique des accélérateurs sont abordées.
Le plan de la conférence est orienté sur les quantités de rayons :
Mesures du courant de faisceau à l'aide de transformateurs / coupes de Faraday et détecteurs de particules
Mesures du profil du faisceau à l'aide de diverses méthodes telles que les écrans à scintillateurs, les grilles de MEB, les scanners à fil, les moniteurs de gaz résiduels et le rayonnement synchrotron.
Mesures de l'émittance transversale à l'aide de dispositifs à grille de fente ou de reconstruction utilisant la variation quadripolaire
Le principe des capteurs RF pour les mesures de la position du faisceau ainsi que pour les déterminations de l'accord ou d'autres fonctions du réseau.
Mesures longitudinales de la propagation de l'énergie cinétique et de la structure du bouquet à l'aide de capteurs, de détecteurs de particules ou du rayonnement synchrotron.
Détection de la perte de faisceau pour l'alignement du faisceau et la protection des machines.
Conditions préalables : Une bonne connaissance de la physique générale est requise, ainsi que les bases de la théorie des accélérateurs. La première année de mathématiques universitaires est présumée, y compris le calcul matriciel, la transformation de Fourier et les nombres complexes. Seules des connaissances de base en physique des détecteurs, en technologies des hautes fréquences et en électronique sont nécessaires, les dispositifs plus complexes étant abordés.
Depuis leur conception au début des années 30 jusqu'aux collisionneurs géants actuels, les accélérateurs ont toujours joué un rôle indispensable dans la physique nucléaire et la physique des particules. Le nombre total d'accélérateurs dans le monde est actuellement estimé à environ 45 000, mais moins de 0,5 % sont utilisés pour la physique des hautes énergies, le domaine pour lequel les accélérateurs ont été inventés et qui leur a donné leur plus grande visibilité et célébrité. Près de 50 % de tous les accélérateurs actuels sont utilisés dans l'industrie et plus de 40 % pour des applications dans le domaine de la santé, la grande majorité étant des accélérateurs dont l'énergie est inférieure à 50 MeV. Ils produisent des faisceaux de particules chargées, de photons ou de neutrons et sont utilisés dans les hôpitaux, les usines de fabrication, les installations de stérilisation, les petits laboratoires de recherche, les ports, les navires en mer, les musées et bien d'autres endroits.
Dans ce cours, nous passerons en revue ces accélérateurs à basse énergie et leurs applications dans cinq domaines principaux : la radiothérapie, la production de radio-isotopes, le traitement des rayonnements, l'implantation d'ions et l'analyse non destructive des matériaux. Pour chaque domaine, nous aborderons les principes de base de leur utilisation, les principales applications, les installations correspondantes et leurs défis de conception.
Les faisceaux de protons de haute puissance sont nécessaires pour une très grande variété d'applications en physique nucléaire, physique des particules, neutrons et science des matériaux, traitement des déchets nucléaires...
De nombreuses installations sont en cours de projet ou de construction dans le monde entier et sont confrontées à plusieurs défis.
Dans ce cours, nous passerons en revue les différentes applications des faisceaux de haute puissance et les installations existantes ou les projets en cours correspondants, puis nous aborderons les principes de base de ces accélérateurs et enfin nous présenterons les principaux problèmes et défis à relever pour traiter ces faisceaux de très haute puissance.
Mohammad ESHRAQI
Le cours donne une vue d'ensemble des systèmes de contrôle des accélérateurs, de leur but et de leur architecture. Le matériel couramment utilisé est présenté à l'aide d'exemples. Enfin, les limites d'un système de contrôle sont brièvement discutées.
La "vie" d'un accélérateur de particules est constituée de plusieurs étapes, depuis les premiers stades de l'expression d'un intérêt jusqu'au démantèlement.
Au-delà des périodes classiques étude-fabrication-installation-test-exploitation-maintenance, nous nous intéresserons aux liens associés client/fournisseur et aux domaines environnants, comme le bâtiment.
Dans une deuxième partie, le thème de la "fiabilité" sera utilisé pour illustrer plusieurs mécanismes intervenant au cours du cycle de vie d'un accélérateur.
Samuel MEYRONEINC