Thèse: Étude des systèmes de cavités harmoniques passives et actives pour SOLEIL II
Implanté sur le plateau Paris-Saclay, à environ 20 kilomètres de la capitale, le synchrotron SOLEIL est l'une des principales infrastructures de recherche françaises. Depuis sa mise en service en 2008, il est au service des communautés scientifiques nationales et internationales. Les recherches effectuées à SOLEIL couvrent un large éventail de domaines scientifiques et industriels (physique, biologie, chimie, science des matériaux, environnement, sciences de la Terre et patrimoine culturel et naturel) en lien avec les enjeux sociétaux actuels. Les expériences menées sur les lignes de lumière s'appuient sur l'exploitation de la lumière synchrotron émise par des électrons accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière au sein d'un anneau de stockage. SOLEIL est placé sous la double tutelle du CNRS et du CEA, et offre à son personnel un environnement de travail à la fois dynamique, innovant, pluridisciplinaire et international.
À la pointe de la technologie, SOLEIL II est un projet ambitieux qui a pour objectif de fournir à la recherche scientifique et industrielle de nouvelles opportunités. SOLEIL II consiste en une modernisation d'envergure de l'infrastructure existante et vise à l’amélioration significative des performances des accélérateurs d’électrons et des lignes de lumière. Il est conçu pour répondre aux défis sociétaux majeurs actuels et futurs, notamment dans des domaines tels que la recherche sur les matériaux avancés, l'énergie et le développement durable, la santé et le bien-être, l'environnement. Les travaux de construction du projet SOLEIL II ont été lancés en 2024, marquant le début d'une phase de développement et d'innovation technologique. En parallèle, il est prévu que le fonctionnement de l'installation existante soit maintenu jusqu'à l'automne 2028. Le démarrage de SOLEIL II est programmé pour 2030, avec une montée en puissance progressive jusqu'en 2035.
1. Contexte et motivation
Les performances des sources synchrotron de quatrième génération basées sur des anneaux de stockage peuvent être limitées par des effets collectifs statistiques induits par les densités de faisceau très élevées obtenues dans ces machines, tels que la diffusion intra-faisceau (IBS) et la diffusion Touschek. Pour atténuer ces effets, des cavités harmoniques sont souvent utilisées pour étirer le faisceau dans le sens longitudinal afin de réduire sa densité électronique et de restituer à l'utilisateur une brillance élevée et une durée de vie compatible avec les contraintes radiologiques en vigueur.
Pour SOLEIL II, la mise à niveau de la source de rayonnement synchrotron française SOLEIL comportera l'installation de cavités harmoniques passives chaudes. Ces cavités disposeront d'un port de couplage permettant le passage à un fonctionnement en régime actif, si nécessaire. Avant leur installation définitive sur SOLEIL II, les premiers de série des cavités fondamentales et harmoniques seront installés et testés sur SOLEIL, offrant une opportunité unique de validation expérimentale en conditions réelles.
2. Problématique scientifique
2.1 Stabilité du faisceau avec le système de feedback IQ (In-Phase/Quadrature)
Le bon fonctionnement du système RF combinant cavités fondamentales actives et harmoniques passives nécessite impérativement la présence d'un feedback sur les cavités fondamentales pour pouvoir élargir la bande passante des cavités principales pour éviter l'instabilité dipôle-quadrupôle du faisceau qui constitue une limite à l'allongement des paquets d'électrons. Le feedback LLRF (Low Level RF) I/Q développé pour SOLEIL II devrait pouvoir répondre à cette demande, mais plusieurs incertitudes demeurent :
• Ce feedback n'a pas été modélisé dans les simulations de dynamique longitudinale (mbtrack2).
• Les simulations de dynamique longitudinale montrent qu'un gain proportionnel trop élevé pour un type de feedback similaire (amplitude/phase) peut, dans certaines conditions, déclencher l'instabilité qu'il est censé combattre, ce qui pourrait sévèrement limiter l'efficacité des cavités harmoniques.
• Un feedback de phase pour atténuer les oscillations sur le mode 0, comme celui qui est en opération à MAX IV devrait pouvoir être intégré au système LLRF développé pour SOLEIL II. Ces différents feedbacks doivent être modélisés dans le code mbtrack2 pour évaluer leurs performances respectives.
2.2 Contraintes opérationnelles des cavités passives
L'utilisation de cavités harmoniques passives entraîne également des contraintes opérationnelles par rapport
à un système actif.
En effet :
• Le courant faisceau moyen doit être suffisamment élevé pour induire la tension requise dans la cavité passive.
• Le remplissage des paquets dans le faisceau doit être régulièrement réparti, sinon la sensibilité accrue à l'effet de charge transitoire entraîne une variation de la phase et de la longueur des paquets le long du faisceau.
Un fonctionnement actif de la cavité harmonique permettrait de retrouver une plus grande souplesse, en particulier lorsque le courant du faisceau est faible et/ou avec des remplissages exotiques, lorsque la tension du générateur est beaucoup plus forte que la charge du faisceau. Cependant, les expériences menées sur les sources synchrotrons de troisième génération montrent qu'à courant moyen élevé, les systèmes harmoniques actifs sont très sensibles aux instabilités du faisceau. Des boucles de rétroaction RF complexes sont alors nécessaires pour stabiliser le double système RF actif.
3. Objectifs et plan de travail
Ce doctorat poursuit deux objectifs. Le premier est de s'assurer que les solutions choisies permettront d'atteindre les performances d'allongement des paquets visées pour SOLEIL II. Le second est l'étude des schémas d'allongement du faisceau au-delà de la solution basée sur des cavités harmoniques passives, ce qui pourrait constituer une alternative à long terme pour fournir des paquets plus longs ou une flexibilité accrue des modes opérationnels.
Objectif 1 — Validation du LLRF I/Q pour SOLEIL II
• Modélisation du feedback I/Q dans les simulations de dynamique longitudinale
• Quantifier le risque d'autodéclenchement de l'instabilité dipôle-quadrupôle en fonction du gain
• Modélisation du feedback de phase sur le mode 0 dans les simulations de dynamique longitudinale et évaluation de ses performances en complément du feedback I/Q (optimisation des paramètres respectifs pour assurer la compatibilité et l'efficacité des deux types de feedback)
• Participation aux tests d'installation des cavités SOLEIL II sur SOLEIL
• Validation expérimentale des modèles de simulation LLRF sur SOLEIL
Objectif 2 — Fonctionnement actif de la cavité harmonique
• Étude des instabilités en mode actif du système RF harmonique
• Étude des rétroactions RF nécessaires à la stabilisation du double système RF actif
• Caractériser le gain de flexibilité apporté par le mode actif aux faibles courants et pour les schémas de remplissage exotiques (32 paquets, 16 paquets, mono-paquet)
4. Perspectives
Compensation de la charge transitoire
Il a été démontré numériquement qu'une compensation de la tension induite pouvait contribuer à réduire l'effet transitoire de la charge du faisceau. L'actionneur est soit une cavité principale ou harmonique active, soit une cavité kicker à large bande. Une telle compensation serait intéressante pour pouvoir obtenir l'allongement complet des paquets à partir du système harmonique, même en utilisant des trous dans les schémas de remplissage du faisceau (pour l'élimination des ions ou des modes opérationnels spécifiques).
Systèmes multi-harmoniques
Il sera également intéressant à l'avenir d'utiliser une combinaison de cavités passives et actives de différentes harmoniques pour allonger davantage le faisceau. Les systèmes multi-harmoniques n'ont pas encore été étudiés du point de vue de la stabilité du faisceau, mais il est probable que la réduction de la focalisation longitudinale par le potentiel RF beaucoup plus plat imposera de fortes contraintes pour que cela fonctionne.
5. Encadrement
Le/la doctorant(e) sera intégré(e) au sein du groupe Physique des Accélérateurs du Synchrotron SOLEIL, en lien étroit avec le groupe RF. Il/elle bénéficiera de l'accès à la machine SOLEIL pour la validation expérimentale et participera aux développements en cours pour SOLEIL II.
Le financement sera assuré par un contrat doctoral sur 3 ans.
Conditions de travail
Cette offre concerne un contrat postdoctoral d’une durée de dix-huit mois. La rémunération sera basée sur la grille salariale de SOLEIL. Un large éventail de formations, ainsi que des opportunités de recherche et de perfectionnement, seront proposés. Le poste sera basé au Synchrotron SOLEIL, situé en région parisienne (Saint-Aubin – Essonne, France). Il est à pourvoir idéalement à partir de septembre 2026 ; toutefois, une date de début antérieure ou ultérieure pourrait être envisagée. Les candidatures devront inclure une lettre de motivation et un curriculum vitae.
Avantages :
- 26 jours de congés payés + jusqu’à 2 jours de fractionnement + 23 jours de RTT par année complète de travail, et pour un travail hebdomadaire de 40 heures.
- La complémentaire santé obligatoire (régime de base) coûte 20,35 euros par mois pour le salarié (coût de 183,18 euros pour l’employeur, correspondant à 90% de la cotisation), adhésion comprise des membres du foyer (conjoint.e + enfant.s).
- Nous proposons une sur-complémentaire (facultative) de 28,43 euros pour votre foyer (conjoint.e + enfant.s).
- Bénéfice d’un régime de prévoyance qui permet de compléter les prestations des régimes obligatoires de Sécurité sociale, souvent insuffisantes. Elle compense les pertes de revenus de l’assuré en cas d’impossibilité de travailler, pour lui garantir son niveau de vie et celui de sa famille, dans des circonstances difficiles : décès, incapacité de travail ou invalidité, consécutifs à une maladie ou à un accident.
- Possibilité d’ouvrir un CET dès un an d’ancienneté : Le CET permet de développer l’épargne de droits acquis en temps de repos exprimé en jours en vue d’indemniser des congés, de racheter des trimestres de cotisations d’assurance vieillesse, d’alimenter un plan d’épargne entreprise (PEE) et/ou un plan d’épargne pour la retraite collectif (PERCO), et de monétariser les jours acquis. Le placement dans le PERCO donne lieu à un abondement de SOLEIL.
- Restauration d’entreprise sur le site de SOLEIL, avec un subventionnement des repas (selon la grille applicable fonction des salaires : coût pour le salarié de l’ordre de 3,30 euros à 6,75 euros).
- Avantages familiaux selon différentes situations : sursalaire familial, jours octroyés dans certaines situations, primes de mariage et de naissance…
- Activités sociales et culturelles proposées par le CSE de SOLEIL.
Contact
Pour toute candidature ou information complémentaire, merci d'adresser un CV, une lettre de motivation et les relevés de notes de master à : alexis.gamelin@synchrotron-soleil.fr