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Doctorat : Etude des onduleurs multipériodiques

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SOLEIL est le centre français de rayonnement synchrotron, situé sur le plateau de Saclay près de Paris. Il s’agit d’un instrument pluridisciplinaire et d’un laboratoire de recherche, ayant pour mission de conduire des programmes de recherche en utilisant le rayonnement synchrotron, de développer une instrumentation de pointe sur les lignes de lumière et de mettre celles-ci à la disposition de la communauté scientifique. Le synchrotron SOLEIL, outil unique à la fois en matière de recherche académique et d’applications industrielles, a ouvert en 2008. Il est utilisé annuellement par plusieurs milliers de chercheurs français et étrangers, à travers un large éventail de disciplines telles que la physique, la biologie, la chimie, l’astrophysique, l’environnement, les sciences de la terre, etc. SOLEIL s’appuie sur une source de rayonnement remarquable à la fois en termes de brillance et de stabilité. Cette Très Grande Infrastructure de Recherche (TGIR), partenaire de l’Université Paris-Saclay, est constituée en société « civile » fondée conjointement par le CNRS et le CEA.

Contexte de la thèse

SOLEIL est une source de lumière intense en fonctionnement depuis 2006 à Saint Aubin dans le sud-ouest de Paris. L’installation fournit des photons de grande intensité couvrant une large gamme spectrale qui s’étend de l’Infra-rouge aux rayons X durs et sert une communauté internationale dans de nombreux domaines de la physique, la chimie ou la biologie. Le rayonnement est produit par des paquets d’électrons de 2.75 GeV qui traversent des aimants de courbure et des dispositifs magnétiques appelés éléments d’insertions composés d’électro-aimants ou, dans la plupart des cas, d’aimants permanents. La demande grandissante en brillance a poussé la plupart des synchrotrons dans le monde à proposer de nouvelles sources ou des améliorations des installations. SOLEIL a actuellement entrepris d’étudier la possibilité de diminuer l’émittance horizontale avec pour objectif de gagner deux ordres de grandeurs sur la brillance et a proposé un nouvel anneau de stockage beaucoup plus compact. L’encombrement dédié aux éléments d’insertion a diminué et produire des photons de forte intensité dans une large gamme spectrale pour les lignes de lumière demande de trouver des solutions techniques innovantes. Le Groupe Magnétisme et Insertions étudie actuellement la possibilité de construire des onduleurs à large gamme spectrale. Dans le domaine VUV, un onduleur de 5 m, pourvu d’une grande période magnétique est en cours d’étude mais les difficultés d’extraction des photons demandent de repenser la conception magnétique. Dans les Rayons X mous, deux solutions techniques ont été considérées. D’une part, un onduleur DUAL, composés de deux insertions indépendantes utilisées alternativement selon la gamme spectrale choisie au moyen de plate formes mobiles qui supportent chacune d’entre elles. D’autre part, SOLEIL projette d’étudier un dispositif magnétique change de période magnétique grâce au déplacement des aimants permanents. Ces deux solutions ont pour objectif de fournir des photons aux lignes de lumière dans une large gamme spectrale.

Activités durant la thèse

Le.la candidat.e sélectionné.e rejoindra le Groupe Magnétisme et Insertions (GMI) et sera formé.e aux techniques de mesures magnétiques et l’utilisation de codes spécifiques de magnétisme (RADIA voire TOSCA3D) et de rayonnement (SRW, B2E, SPECTRA).

Etude des insertions polarisées dans le domaine VUV

Le.la candidat.e sélectionné.e se focalisera dans un premier temps sur l’étude d’un onduleur à aimants permanents dédiée à la ligne de lumière DESIRS opérant entre 5 eV et 40 eV. Il.elle proposera un dispositif magnétique qui répond aux besoins expérimentaux en termes de gamme spectrale, puissance admissible, taux de polarisation et évaluera les performances magnétiques et optiques et l’impact sur la dynamique du faisceau d’électrons (effet sur les nombres d’onde, couplage, durée de vie). Il.elle prendra en charge la conception d’un prototype et sera impliqué.e dans les études mécaniques pour tenir compte des tolérances de construction et des déformations des châssis et poutres issues des forces magnétiques dans les performances magnétique set optiques.

Etudes des insertions polarisées dans le domaine des rayon X mous

Le domaine spectral des Rayons X mous (10 eV-3000 eV) est actuellement couvert par une succession de deux onduleurs installés l’un derrière l’autre dans le Synchrotron sur des sections droite de 7 m. Du fait de la réduction de la longueur des sections droites à 4.2 m, SOLEIL a entamé une période de Recherche et Développement sur deux types d’onduleur à deux périodicités magnétiques permettant de couvrir la même gamme spectrale : l’onduleur « DUAL » et l’onduleur bi-périodique.

L’onduleur DUAL

Les onduleurs « DUAL » sont conçus à partir des deux onduleurs indépendants qui peuvent être sélectionnés alternativement selon la gamme spectrale désirée par un déplacement latéral de l’un par rapport à l’autre. Le défi principal réside dans la précision du positionnement de chacun des onduleurs et de son impact sur les performances magnétiques du dispositif. En accord avec les besoins expérimentaux et les contraintes techniques, le.la candidat.e proposera un design magnétique en définissant la valeur de la période optimale, le nombre de périodes, le champ magnétique et calculera le flux de photons dans la gamme spectrale demandée par la ligne de lumière. Il.elle évaluera aussi les forces magnétiques agissant sur le dispositif, les déformations mécaniques et l’impact sur les performances magnétiques et optiques. Un prototype d’onduleur DUAL de 1.6 m est en cours de construction à SOLEIL avec l’objectif de vérifier le repositionnement latéral des onduleurs et d’évaluer l’effet du dé-positionnement. Il.elle prendra en charge la campagne de mesure magnétique avec un banc dédié et proposera des corrections magnétiques. A l’issue de la qualification de l’onduleur prototype, le.la candidat.e concevra le design magnétique de la version grandeur réelle.

L’onduleur bi-périodique

L’onduleur bi-périodique est un onduleur particulier construit à partir d’un arrangement spécial d’aimants permanents permettant de passer d’une périodicité magnétique à sa valeur triple par déplacement longitudinal de l’assemblage d’aimants. Cet onduleur compact et innovant est spécialement adapté aux sections droites de longueur limitée et qui, par sa double périodicité, permet de produire des photons sur de larges gammes spectrales. Le.la candidat.e proposera une conception magnétique à partir d’un prototype en cours de construction à SOLEIL puis évaluera les performances magnétiques et spectrales, l’impact sur la dynamique des faisceaux d’électrons.

Il.elle comparera les performances magnétiques et optiques à celles d’un onduleur mono-périodique et à l’onduleur « DUAL », prendra en compte les contraintes techniques liées à la conduite de faisceau d’électrons comme la puissance interceptée par les équipements de l’anneau de stockage et la chambre à vide. Il.elle mesurera le dispositif avec un banc dédié avec l’objectif de valider le concept pour une future construction à l’échelle grandeur réelle.

Etude des bancs de mesure magnétiques associés

Les onduleurs proposés pour les lignes de lumière DESIRS et Rayons X mous sont de nouvelles insertions, très compactes, sans accès physique latéral pour mesurer le champ magnétique. Ces insertions ne peuvent pas être mesurées avec les bancs en opération actuellement au laboratoire. Le.la candidat.e proposera et étudiera un banc de mesure adapté aux espaces limités.

Dates

1er novembre 2022 au 30 octobre 2025

Contact

Dr. Olivier Marcouillé

Olivier.marcouille@synchrotron-soleil.fr