Injector linac optimizations for FCC-ee and applications for PRAE

Autor: Bai, Bowen
Přispěvatelé: Laboratoire de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie (IJCLab), Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Paris-Saclay, University of Chinese academy of sciences, Angeles Faus-Golfe, Yunlong Chi, STAR, ABES
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2021
Předmět:
Zdroj: Accelerator Physics [physics.acc-ph]. Université Paris-Saclay; University of Chinese academy of sciences, 2021. English. ⟨NNT : 2021UPASP038⟩
Popis: In the last years there has been intense linear electron-accelerator development driven by different communities as the X-FEL community, the High Energy Physics (HEP) linear-collider community: ILC and CLIC as well as HEP circular-collider community: FCC-ee and CEPC. Furthermore, there are also many other applications from medical science to industry that will use such a linac as main accelerators. In all these studies, a high-efficient e-linac with energies from 10 to 1000 MeV is needed as driver or injector. Even if the linac technology to cope with the performances needed is very well known, an important R&D effort on more compact, simpler, cost-effective, efficient, robust and reliable is in progress. In this frame, this thesis will optimize the linac and its associated transfer lines in two cases: (1) The injector linac for FCC-ee (Future electron-positron Circular Collider), in particular the positron one. (2) The linac for applications known as PRAE project (Platform for Research and Application with Electrons). The Future Circular Collider (FCC) hosted by CERN, is an international collaboration to explore the feasibility of different particle collider scenarios with the aim of significantly increasing the energy and luminosity compared to existing colliders, in the search for new physics. In the case of the Future Circular electron-positron Collider (FCC-ee), 2.13*10^10 (3.5 nC) electron and positron particles per bunch are needed for the most demanding full filling of Z running mode in the conceptual design report (CDR). The baseline selection for FCC-ee injector linac is based on the SuperKEKB one, which gives us a positron yield of 0.2 e+/e- against 0.4 e+/e- design in recent experiment. The main objective of this thesis is to perform the start-to-end design and optimization for beam production, acceleration and transport from the feeding electron source to the positron damping ring as well as to increase the efficiency and the flexibility of the positron production (the positron yield needs to be larger than 0.7) for FCC-ee injector linac. A complementary study for positron target optimisation using conventional target or hybrid target is also shortly summarized. Considered the drawbacks of the current SuperKEKB injector scheme, three new different bypass scheme designs have been finished to transfer electron and positron particles separately for a better transmission and improved flexibility of the whole system, which finally could gives us a positron yield of around 1.2 e+/e- at the e+ damping ring in theoretical simulations. In conclusion, this work is a first step in the optimization of the FCC-ee injector system from the point of view of the efficiency of the transport and optics design. The various schemes proposed are based on established technologies and different paths for electrons and positrons are used in order to improve the efficiency of the transport from the point of view of losses and cost. In the second part of this thesis, the design for a radiobiology and nuclear physics application linac platform PRAE(Platform for Research and Application with Electrons) based on a high-quality pulsed electron beam of energy up to 70 MeV in phase 1 and 140 MeV in phase 2 has been realized. 2 nC electron bunches in the PRAE accelerator phase 1 are produced in a RF gun at 50 Hz frequency, post-accelerated by a S-band linac to 50-70 MeV and injected into the direct beam line plus a deviated line. The optics design of the beam lines has to be as flexible as possible to cope with different kinds of beam characteristics (beam size, energy, dispersion, current…) and operation modes depending on the application. The study of the different optics options and the implementation of these two beam lines as well as the beam-water interaction for pre-clinical studies for the case of the radiobiology experiments has also been done and presented in this thesis.
Au cours des dernières années, il y a eu un développement intense d'accélérateurs d'électrons linéaires conduit par différentes communautés comme la communauté X-FEL, la communauté des collisionneurs linéaires de la physique des hautes énergies (HEP) : ILC et CLIC ainsi que la communauté des collisionneurs circulaires HEP: FCC- ee et CEPC. En outre, il existe également de nombreuses autres applications de la science médicale à l'industrie qui utiliseront un tel linac comme accélérateurs principaux. Dans toutes ces études, un e-linac à haut rendement avec des énergies de 10 à 1000 MeV est nécessaire comme conducteur ou injecteur. Même si la technologie linac pour faire face aux performances recherchées est très connue, un important effort de R&D sur des solutions plus compactes, plus simples, plus rentables, efficaces, robustes et fiables est en cours. Dans ce cadre, cette thèse optimisera le linac et ses lignes de transfert associées dans deux cas: (1) L'injecteur linac pour FCC-ee (Future Electron-Positon Circular Collider), en particulier le positron. (2) Le linac pour les applications dites projet PRAE (Platform for Research and Application with Electrons). Le Future Circular Collider (FCC) hébergé par le CERN, est une collaboration internationale visant à explorer la faisabilité de différents scénarios de collisionneurs de particules dans le but d'augmenter considérablement l'énergie et la luminosité par rapport aux collisionneurs existants, dans la recherche d'une nouvelle physique. L'objectif principal de cette thèse est de réaliser la conception et l'optimisation de bout en bout pour la production de faisceaux, l'accélération et le transport de la source d'électrons d'alimentation à l'anneau d'amortissement de positons ainsi que d'augmenter l'efficacité et la flexibilité de la production de positons (le rendement en positons doit être supérieur à 0,7) pour l'injecteur linac FCC-ee. Une étude complémentaire pour l'optimisation de la cible positron utilisant une cible conventionnelle ou une cible hybride est également brièvement résumée. Compte tenu des inconvénients du schéma d'injecteur SuperKEKB actuel, trois nouveaux modèles de schémas de dérivation différents ont été finis pour transférer les particules d'électrons et de positrons séparément pour une meilleure transmission et une flexibilité améliorée de l'ensemble du système, ce qui pourrait finalement nous donner un rendement en positons d'environ 1,2 e + / e- à l'anneau d'amortissement e + dans les simulations théoriques. En conclusion, ce travail est une première étape dans l'optimisation du système d'injecteur FCC-ee du point de vue de l'efficacité du transport et de la conception optique. Les différents schémas proposés sont basés sur des technologies établies et différents chemins pour les électrons et les positrons sont utilisés afin d'améliorer l'efficacité du transport du point de vue des pertes et du coût. Dans la deuxième partie de cette thèse, la conception d'une plateforme d'application de radiobiologie et de physique nucléaire PRAE (Platform for Research and Application with Electrons) linac basée sur un faisceau d'électrons pulsé de haute qualité d'énergie jusqu'à 70 MeV en phase 1 et 140 MeV en phase 2 a été réalisé. 2 paquets d'électrons nC dans l'accélérateur PRAE phase 1 sont produits dans un canon RF à une fréquence de 50 Hz, post-accélérés par un linac en bande S à 50-70 MeV et injectés dans la ligne directe du faisceau plus une ligne déviée. La conception optique des lignes de faisceau doit être aussi flexible que possible pour faire face à différents types de caractéristiques de faisceau et modes de fonctionnement en fonction de l'application. L'étude des différentes options optiques et la mise en œuvre de ces deux lignes de faisceau ainsi que l'interaction faisceau-eau pour les études précliniques pour le cas des expériences de radiobiologie ont également été réalisées et présentées dans cette thèse.
Databáze: OpenAIRE
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