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Dossier de Candidature au diplôme - L`Information scientifique au

1. D 3 6 3 Themes porteurs 54 6646 nan ae de em eee oO RE da 3 7 M thodes d optique non lin aire le code d optique corpusculaire Zgoubi 3 7 1 Int gration de l quation de Lorentz 3 7 2 Exemple de mod le de champ 373 Exemiplesd application s LS see ss fier eee meer S74 Themes DOrlEuUR 3 ap d timeme a dome OH eTa pire tigip 318 PERSPECIIVES se se es hapi ANS ee INR NS Ga begs Nomenclature Liste des figures R f rences Index multip le magn to et ou lectrostatique 49 51 56 1 Curriculum vit Fran ois M ot Adresse 2C place de l Etoile 38000 Grenoble n le 27 Mars 1956 Chamali res Puy de D me Mari 3 enfants 1 11 et 20 ans 1 1 Cursus ETUDES 1973 Baccalaur at C Acad mie de Bordeaux 1973 1975 Math matiques Sup rieures et Sp ciales Clermont Ferrand 1975 1978 Ecole NS Sup rieure de Physique Institut National Polytechnique de Grenoble 1979 1981 These au CERN Gen ve Suisse soutenue l INP Grenoble d c 1981 LANGUES Fran ais et Anglais lu parl crit couramment Espagnol lu parl crit pas couramment EMPLOIS ANTERIEURS 08 1978 06 1979 Ing nieur de production en micro lectronique Texas Instruments France Cagnes sur Mer 07 1979 12 1981 Physicien Fellow au CERN Gen ve Suisse Division SPS ABM Th se sur le diagnostic par rayonnement synchrotron des faisceaux p et p du collisionneur SppS 01
2. coordonn es d une particule dans le r f rentiel tangent sa trajectoire r f rentiel de Serret Frenet deriv es des coordonn es d une particule par rapport son abscisse curviligne vitesse d une particule 48 Liste des figures 10 l1 12 13 Figure de gauche demi culasse de l aimant onduleur Figure de droite spectre rayonn par un faisceau de protons de 270 GeV et spectre de l effet de bord qui montre le gain ainsi obtenu 12 Figure de gauche dispositif de d tection du rayonnement onduleur au Spps Figure de droite profil transverse du faisceau obtenu par traitement AMAR 2 ew Bec do hb Be dha AN 12 Syst me de r f rence dans le laboratoire et notations utilis es dans le texte La particule tourne avec la vitesse wo c p le rayonnement synchrotron qu elle met est observ grande distance r suppos e constante sous l incidence arbitraire I Ws amp pee Ge ane me 14 Doublet impulsionnel de rayonnement synchrotron d une paire de dip les Fig de gauche Le spectre interf rentiel qui en r sulte Fig de droite est affect d une forte perte d intensit au voisinage du z ro l o le spectre d un unique dip le l enveloppe des oscillations serait au contraire maximal 16 Densit spectrale angulaire d nergie 09 W dwO 0w du rayonnement synchrotron basse fr quence Figure de gauche composante de polarisation p
3. 14 80 8 CERN 03 04 1980 U Jansson F M ot and M Mottier M morandum CERN SPS EMA du 21 08 80 U Jansson R Keizer F M ot and M Mottier Construction of an undulator magnet for 270 GeV p and p CERN SPS EMA 81 19 1981 R Bossart J Bosser L Burnod E d Amico G Ferioli J Mann et F M ot Beam profile measurements with synchrotron light NIM 184 1981 349 A Hofmann and F M ot Optical resolution of beam cross section measurement by means of synchrotron light report CERN ISR TH 82 04 1982 NIM 203 1982 483 The 300 GeV programme rapport CERN 1050 janvier 1972 A p p colliding beam facility rapport CERN SPSC 80 27 T 21 1980 J Bosser L Burnod R Coisson G Ferioli J Mann et F M ot Characteristics of the radiation emitted by protons and antiprotons and in an undulator J Phys Lett 45 1984 L 343 F M ot Synchrotron radiation interferences at the LEP miniwiggler Report CERN SL 94 22 AP 1994 C Bovet A Burns F M ot M Placidi E Rossa J de Vries Synchrotron radiation interferences between small dipoles at LEP Report FERMILAB Conf 97 155 Proc PAC 97 Conf Vancouver BC Canada May 1997 C Bovet A Burns F M ot M Placidi E Rossa J de Vries Synchrotron radiation interferences between short dipoles at LEP Report CERN SL 97 59 BI Nov 1997 C Bovet M Placidi A dedicated synchrotron radiation source for LEP beam diagnostics LEP Note O32 CERN 11
4. laquelle on ne peut donc acc der autrement que par la simulation num rique Ainsi c est par exemple pour le traitement des champs de fuite que le laboratoire du synchrotron COSY 3 GeV KFA J lich a demand vers 1995 une copie du code Zgoubi 44 dans lequel la m thode avait t install e 56 57 Cette m thode num rique permet en outre la simulation d effets dynamiques particuliers qui ne peuvent tre calcul s analytiquement tels que l interf rence entre r sonances d polarisantes non isol es ou la pr sence de mouvement synchrotron Section 3 5 2 3 5 1 Une m thode de calcul num rique Cette m thode a t d velopp e dans le but d tre implant e dans le code de trac de trajectoires Zgoubi 44 d crit en Section 3 7 L astuce dans ce probl me consistait r aliser que l quation dif f rentielle du mouvement de pr cession du spin S d une particule relativiste dans un champ magn tique b dite de Thomas BMT 53 dS qr za Es Set XQ 3 5 1 Un serpent sib rien est un dispositif magn tique constitu d un aimant ou d une s rie tel que dip le ou sol noide dont le r le est de provoquer chaque travers e une rotation de 180 degr s du spin des particules tout en tant inoffensif du point de vue de l optique corpusculaire 49 Cette action r sonante garantit le maintien de la polarisation 4 sa valeur initiale en la rendant insensible aux imperfections toujours pr sentes da
5. 46 40 dp Figure 14 Figure de gauche principe de l uniformisation au moyen de distortions optiques d ordre impair Figure de droite densit s transverses diff rentes abscisses en aval de la lentille non lin aire ou Ay rRi et A4151 is Kop41 Lr t les coefficients Rij tant connus car d finis par le transfert de so s gt so au premier ordre i e la lentille non lin aire tant teinte soit vis f Ru Ru y So y s J fig Rap y so et Kop41L tant la force int gr e de la lentille non lin aire Compte tenu de ces divers param tres on montre 66 que la densit transverse dans le faisceau initialement fly so en principe de forme en cloche acquiert une distribution uniformis e Figs 14 o Flys dall gly s D fe 1 paid ui 3 6 3 o les y i 1 N sont les N racines r elles de l Eq 3 6 2 On montre en outre que corr la tivement les forces des lentilles non lin raires permettant d obtenir la cible une empreinte uniforme d tendue ym sont donn es par 4 rR11 Ri2 e e ee pour l octup le 3 6 4 K3L _ sl r pour le dod cap le etc 4 rRi Rio Transport du halo En optique lin aire l enveloppe du faisceau en un point quelconque d abscisse s le long d une ligne transport est donn e par o s B s e m Cela permet d introduire la notion de no enveloppe 39 qui correspond la limite no
6. pour permettre la conception et l optimisation des spectrom tres SPES III et SPES IV du LNS puis SPEG GANIL Caen 86 ainsi que de lignes Kaon au CERN 85 Gen ve Plus r cemment il a subit des d veloppements importants corr lativement la mont e en puissance des ordinateurs ce qui permis son utilisation pour des tudes concernant des structures optiques tr s complexes telles le synchrotron Saturne CEA Saclay 56 57 le LHC CERN Gen ve 45 46 le Recycler Ring FERMILAB USA 87 etc Zgoubi est utilis dans de nombreux laboratoires francais et trangers A titre d exemple il vient d tre export dans les laboratoires ci apr s chronologiquement compter d aujourd hui e f vrier 1998 groupe SL OP du CERN la demande de K Hanke tude sur effet des champs de fuite d un gros dip le situ proximit de la ligne d injection du LHC e aout 1997 NSCL Michigan State University East Lansing USA a la demande de D Bazin et B Blank CNRS Bordeaux param trisation partir des cartes de mesures magn tiques du spectrom tre supraconducteur 800 Tat uppusition aux codes dits d ordre n qu procedent par transport matriciel lordre n n est g n ralement limit 1 ou 2 39 Reference Figure 16 Vitesse et position d une particule dans le rep re de r f rence e janvier 1997 INFN Catania Italie la demande de F Cappuzzello calcul d un spectro
7. tre ins r es dans la machine Les caract ristiques de rayonnement synchrotron de SIREM ont fait l objet d une publi cation toujours d actualit l qui recense de fa on d taill e les diff rentes sources de rayonnement que l on peut obtenir d un anneau de stockage 36 Du point de vue du LETI en outre le projet SIREM apparaissait comme une alternative MARS le premier tant vu comme une collaboration entre laboratoires utilisateurs offrant ceux ci la possibilit d avoir un nombre r duit de lignes de RX le second tant suppos de par sa taille tr s r duite tre propri t du LETI et enti rement consacr la micro lectronique 1 Je l utilise comme support d un cours donn l ENSERG INPG le 5 juin 1998 23 3 4 Acc l rateurs circulaires 3 4 1 Introduction Lorsque j ai rejoint le Groupe Th orie du Laboratoire National SATURNE Saclay en ao t 1986 j ai t impliqu plein temps dans la phase finale de la construction du synchrotron MIMAS nouvel injecteur du synchrotron SATURNE du LNS J ai principalement particip au d veloppement de logiciels de commandes et contr les de MIMAS qui d marr au printemps 1987 37 J ai ensuite accompagn des travaux de th se concernant le probl me de louverture dynamique dans des machines affect es de fortes non lin arit s sextup laires 38 en particulier en participant l installation d une m thode de calcul de louvertur
8. 3 2 Rayonnement synchrotron 3 2 1 Travaux de th se au CERN 3 2 2 Une m thode de calcul num rique du rayonnement synchrotron 3 2 3 Diagnostic au collisionneur LEP Ph nom nes d interf rences 3 2 4 Rayonnement synchrotron basse fr quence 3 2 5 Rayonnement synchrotron infrarouge et micro onde 3 2 6 Th mes porteurs 3 3 P riode micro lectronique 3 3 1 Utilisation du rayonnement synchrotron en microlithographie 3 3 2 Les effets de proximit en microlithographie par faisceau d lectrons 3 3 3 Le projet d anneau rayonnement synchrotron SIREM 3 4 Accel rateurs circulaires ul JTOQUCUON 3 A LE vee eeed bed ER e E e Oe le LHO e wn se RE EE eB Bae NEE 3 4 3 Traitement d un probl me d optique au LHC 3 4 4 Champs de fuite et d fauts multip laires dans le LHC 3 5 Transport de protons polaris s 3 5 1 Une m thode de calcul num rique 3 9 2 Application au transport de spin dans SATURNE DO eme DOU ae Le an side Re Bale eu bo HE nt 3 6 Optique corpusculaire 3 6 1 Uniformisation transverse d un faisceau de particules 3 6 2 Achromat au second ordre magn to lectrostatique
9. Diplomarbeit au CERN 12 puis ult rieurement une th se PESRE 13 Ces tudes ont permis de mettre en vidence des propri t s particuli res du rayonnement syn chrotron basse fr quence qui m ont amen d velopper une th orie nouvelle 14 quand le mod le classique commun ment admis jusqu pr sent 15 16 s av re faux basse fr quence que je r sume en Section 3 2 4 ainsi qu au d p t d un brevet d invention concernant la production de rayonnement synchrotron infrarouge et micro onde haute brillance 17 Section 3 2 5 3 2 1 Travaux de th se au CERN Mes premi res activit s dans le domaine des acc l rateurs datent de ma th se de l INP Grenoble Mesure de profil par rayonnement ondulateur des faisceaux de protons et antiprotons r alis e au CERN de juin 1979 a d cembre 1981 18 sous la direction de Mr J Bosser J y ai particip a la conception et la r alisation d un dispositif de diagnostic des faisceaux p et p bas sur P mission de rayonnement synchrotron visible dans un aimant onduleur ainsi qu l installation de ce dispositif dans le tunnel du SppS lors de l arr t d un an de 1980 81 consacr la transformation de l anneau de stockage SPS Super Proton Synchrotron 6 en collisonneur SppS 7 puis j ai pris part aux premieres exploitations en diagnostic qui ont pr c d de quelques mois la mise en vidence des bosons interm diaires W et Z
10. Sept 1989 30 F MEOT Raytracing in 3 D field maps with ZGOUBI CEA LNS GT 90 01 1990 31 P LAPOSTOLLE F MEOT E TANKE S VALERO A new dynamic code for electrons protons and heavy ions in linacs with long accelerating elements CEA LNS GT 90 04 1990 32 F MEOT et S VALERO ZGOUBI user s guide CEA LNS GT 90 05 1990 TRIUMF TRI CD 90 02 1990 37 G LELEUX F MEOT A TKATCHENKO Etude pr liminaire des effets d un sol noide sur la dynamique des faisceaux dans SATURNE CEA LNS GT 91 06 1991 38 G LELEUX F MEOT A TKATCHENKO Influence d un sol noide sur le processus d extraction des faisceaux de SATURNE CEA LNS GT 91 07 1991 39 F MEOT et A MOALEM A toroidal magnet for the study of rare decays of the 7 meson at the LNS CEA LNS GT 92 02 1992 40 F MEOT Focusing in the LINAC Phase 1 CEA LNS GT ME 92 05 1992 41 F MEOT Syst me d expansion de faisceaux CEA LNS GT 92 13 1992 42 F M OT J L LEMAIRE Etude du transport de spin dans une version blind e du sol noide SOLSPIN CEA LNS GT 92 14 1992 43 P LAPOSTOLLE F MEOT E TANKE S VALERO Dynac user s guide Internal reports CERN PS and CEA LNS 1992 unpublished 44 F MEOT et A TKATCHENKO Premiers r sultats de l tude du transport de faisceau de la microsonde du Laboratoire Pierre Sue CEA LNS GT 93 04 1993 45 F M OT S VALERO Zgoubi users guide Version 3 CEA LNS GT 93 12 1993 47 Status report Electr
11. activit s Ses quipes sont regroup es depuis janvier 1998 avec celles du Service d Etude des Acc l rateurs SEA du D partement d Astrophysique de la Physique des Particules de la Physique Nucl aire et de l Instrumentation Associ e DAPNIA Direction des Sciences de la Mati re CEA Saclay Le SEA est l origine sp cialis dans des activit s li es aux acc l rateurs lin aires en particulier la conception et la mise en uvre de cavit s acc l ratrices supraconductrices fort gradient acc l rateur L histoire de cette symbiose entre les deux mondes des acc l rateurs circulaires et lin aires reste faire Parmi les travaux qui m ont incomb jusqu pr sent je choisis de pr senter dans ce rapport un certain nombre de calculs et autres m thodes d investigation du domaine de l optique corpusculaire dont je suis l acteur principal et qui se distinguent par leur caract re d originalit d inventivit ou d innovation A ce titre quand des formules du texte apparaissent encadr es il s agit de r sultats originaux dont je suis l auteur Cette pr sentation respecte l ordre chronologique dans lequel ai abord ces diff rents th mes d tudes au cours de ma carri re LNS sur web http www Ins cea fr IN2P3 sur web http www in2p3 fr DSM sur web http www dsm cea fr D une fa on g n rale l expos s appuye sur les publications dont je suis l auteur ou le co auteu
12. angle de croisement Correction de la dispersion p riodique Prenons l exemple de la dispersion verticale induite par un angle de croisement vertical Un sch ma de correction propos 42 utilise des quadrup les tourn s dispos s de part et d autre de la section droite longue qui comprend l IP Pour annuler simultan ment d et sa d riv e deux param tres condition 21 pour que d ne se propage pas au dela de cette section droite il faut deux familles de quadrupoles disons SQ1 et SQ2 L quation du mouvement en pr sence de SQ1 et SQ2 dont on note la force R s s crit d aide K s 4 R s D 3 4 6 o D est la dispersion horizontale que l on couple ainsi au plan vertical La solution de cette quation est RL est la force int gr e sur la longueur totale L des quadrup les de correction Viel V 8 5 2sin rQ X _ RL sQ D ss0 V B ssQ cosQz m l ie ssq l GA SQ En supposant que s compense la dispersion due l angle de croisement Eq 3 4 2 on obtient la condition recherch e concernant la force des familles SQ1 et SQ2 avec Lg D KL g2c0 59 Bz 59 et Q 8 p SQ 7 2 7 2 L application num rique dans les conditions du LHC montre que les forces RL s01 2 n cessaires sont conservatives et en particulier suffisamment faibles pour ne pas introduire de couplage b tatron On peut en particulier montrer que la force int gr e d une famille RL sQ est
13. c l rateurs sous la direction de W Scandale physicien CERN quipes du LHC 09 1987 06 1993 Enseignement de Math matiques au CNAM antenne du CEA Saclay 50 heures par an d octobre juin cours et TD Th orie des distributions Transformations de Fourier et Laplace Th orie des Probabilit s Sous la direction de H Reinhard titulaire de la Chaire au CNAM de Paris 1 3 Encadrement scientifique Encadrement de stages 07 08 1985 Alain Charles stage de 2 ann e de l INSA Toulouse Lieu Commissariat l Energie Atomique Laboratoire d Electronique et de Technologie de l Informatique Groupe Micro lectronique semi conducteurs Grenoble Travaux exp rimentaux sur les effets de proximit en microlithographie par faisceau d lectrons en relation avec un d p t de brevet ant rieur Publi 18 p 7 07 08 1989 Carole Fauquet stage de fin de Maitrise Lieu CEA IRF LNS Groupe Th orie Saclay D pouillement de r sultats exp rimentaux de spectrom trie magn tique et autres tudes concernant les exp riences men es au LNS CEA Saclay sur les d croissances rares du m son 7 dans l optique du projet de spectrom tre d di Publis 25 29 39 49 Rap port de stage Note CEA IRF LNS GT 1989 03 06 1991 06 09 1991 Denis Carvounas stage de 2 ann e Institut d Informatique des Entreprises Lieu CEA IRF LNS Groupe Th orie Saclay D veloppement de codes de calcul d optique corpusculaire dans le
14. position angle qui est stable long terme Le LHC sur web http wwwlhcOl cern ch 2 FERMILAB sur web http www fnal gov 21Dans cette technique on conf re aux dip les de courbure un gradient transverse de sorte qu ils assurent en m me temps la focalisation transverse du faisceau 7 Dour tout savoir http wwwlhcOl cern ch 23Le LEP sera d mont en principe en 2001 24 RF Cleaning Figure 9 Sch ma du LHC le Tevatron de FERMILAB 18 TeV La luminosit vis e est terme de 10 4em 2s 1 Ces deux chiffres repr sentent deux challenges qui mobilisent aujourd hui des centaines de laboratoires et des milliers de physiciens du monde entier Le LHC permettra de recr er les conditions de la mati re de l univers 10 12 seconde apr s le Big Bang la temp rature de 10 degr s au sein des d tecteurs ATLAS et CMS Il permettra aussi d acc l rer des faisceaux d ions lourds pour le d tecteur ALICE 1250 TeV soit environ 30 fois l nergie disponible RHIC le collisionneur du Brookhaven National Laboratory actuellement en construction dont le d marrage est pr vu pour 1999 3 4 3 Traitement d un probl me d optique au LHC Dans cette tude j ai produit plusieurs contributions innovantes telles que par exemple le calcul analytique de la dispersion perturbative p riodique excit e par l orbite ferm e non nulle dans les quadrup les faible 6 voisins du point de collision d
15. pour laquelle avait t con u ce collisionneur L mission de rayonnement synchrotron onduleur par des anti protons constituait une premi re Ce n tait en outre que la deuxi me fois que l on observait le rayonnement synchrotron mis par des protons Les tapes importantes de ma th se 18 sont les suivantes Conception de l aimant onduleur et mesures magn tiques 1 8 calcul du spectre de rayonnement synchrotron onduleur associ La Fig 1 montre une demi culasse de l aimant qui g n re ainsi une suite de 5 oscillations sinuso dales du champ magn tique de p riode 8 8 cm Il en r sulte une densit spectrale de rayonnement pr sentant un maximum dans la r gion v amp 2y c X choisie dans le visible pour l nergie de stockage de 270 GeV CERN sur web http www cern ch La performance de ces outils a t mise en vidence lors de l tude des interf rences au LEP par le fait que des tentatives de simulation au moyen d autres codes de calcul avaient auparavant chou Le succ s de mes travaux de simulation est d la m thode num rique que j ai d velopp e pour la circonstance telle qu expos e en Section 3 2 2 ESRF sur web http www esrf fr La premi re observation mettait en jeu le rayonnement synchrotron par effet de bord au SPS aussi en 1979 19 1l g wa ed a nee ae Sie Se ae a dk BE Aco GEB FD RB EME EE IODE Me rie Z
16. r t de m thodes de trac de trajectoires performantes 43 3 8 Perspectives Les Sections intitul es Th mes porteurs qui apparaissent en conclusion aux domaines d activit s dont je traite dans ce rapport donnent un bon aper u de prolongements possibles des recherches dans lesquelles je suis actuellement engag en rayonnement synchrotron page 19 en m thodes de transport de protons polaris s effets des champs non lin aires etc page 32 en m thodes de calcul et de conception de l optique corpusculaire pages 37 et 42 J ajouterai quelques mots concernant les perspectives de recherche en dressant un tableau suc cint de l tat des lieux en mati re de grands projets d acc l rateurs ou de projets de grands acc l rateurs circulaires li s la physique des hautes nergies qui sont des sources quasi in puisable de sujets de th ses stages et autre post doc comme le montre l activit doctorale par exemple reg nant dans les laboratoires actuellement engag s dans ce type de projets CERN FERMILAB DESY KEK etc Il existe plusieures cat gories de grandes machines int ressant des domaines diff rents dont les principaux sont la physique des hautes nergies avec par exemple le projet LHC au CERN les usines particules e g DAP NE usine Frascati Italie les machines rayonnement synchrotron e g le projet CEA CNRS de source de 3 M g n ration S3G anciennement S
17. 4 85 K Hanke Measurements of the bunch length of LEP with a streak camera and comparison with results from LEP experiments CERN SL Note 95 65 BI CERN 13 06 95 and Report PITHA 94 1 Physikalische Institute RWTH Aachen Germany May 1994 G Mulhaupt C Denise Study of interferences with the visible synchrotron light emitted from various magnets at the ESRF Use of optical images for diagnostic on the electron beam ESRF97MU193 NIM A vol 387 319 327 C Denise Etude de la lumi re synchrotron mise par des quadrup les et des champs de fuite de dip les Int r t pour le diagnostic machine Th se Univ Paris XI 11 sept 1996 F M ot A theory of low frequency far field synchrotron radiation Report DSM DAPNIA SEA 98 05 CEA Saclay f v 1998 15 J D Jackson Classical electrodynamics 2nd Ed J Wiley and Sons New York 1975 16 17 18 Hofmann Theory of synchrotron radiation SSRL ACD Note 38 SLAC Sept 1986 F M ot Proc d et dispositif de production de rayonnement synchrotron infra rouge Demande de Brevet BREVATOME d p t INPI Num 98 02073 20 02 1998 F M ot Mesure de profil par rayonnement ondulateur des faisceaux de protons et antiprotons Thesis Divisional Report CERN SPS ABM 81 21 ABM CERN 1981 ol 19 R Bossart J Bosser L Burnod R Coisson E d Amico A Hofmann and J Mann Observation of visible synchrotron radiation emitted by a high energy proton be
18. Cambridge MA 02139 USA July 1987 84 J Thirion et P Birien Le spectrom tre SPES II Note DPh N ME CEA Saclay 23 d c 1975 85 P Birien Low energy kaon beam lines Report CERN EP 82 90 CERN 29 June 1982 Proc Int Conf on Hypernuclear and Kaon Phys Heidelberg 20 24 June 1982 86 P Birien et S Val ro Projet de spectrom tre magn tique haute r solution pour ions lourds Section IV p 62 Note CEA N 2215 CEA CEN Saclay mai 1981 87 F M ot On the effects of fringe fields in the Recycler ring FNAL Report FERMILAB TM 2016 Aug 1997 88 D Bernard et als Electron acceleration in the plasma beat wave experiment at Ecole Polytechnique Report X LPNHE 94 07 Proc 6th Wrkshp on Advanced Acc Concepts June 12 18 1994 The Abbey on Lake Geneva WI USA 89 G Leleux Compl ments sur la physique des acc l rateurs cours de DEA Paris VI Rapport interne CEA LNS 86 101 CEA CEN Saclay March 1986 90 P Lapostolle A M Lombardi S Nath E Tanke 5 Valero T P Wangler A new approach to space charge for LINAC beam dynamics codes Proc 18th Int Conf LINAC96 Geneva Switzerland 1996 375 377 P Lapostolle A M Lombardi E Tanke S Valero R W Garnett T P Wangler A modified space charge routine for high intensity bunched beams NIM A 379 1996 21 40 91 F M ot A numerical method for combined spin tracking and raytracing of charged particles NIM A313 1992 492 and proc EPAC 1992 p 7
19. Delta s 10 O O Defauts d alignement de la lentille 3 7 3 Exemples d application On trouvera des exemples d application en Section 3 2 3 page 16 ph nom nes d interf rences LEP en Section 3 5 2 page 31 transport de spin dans SATURNE en Section 3 6 2 page 36 achromat au second ordre magn to lectrostatique et bien d autre encore en bibliographie e g 45 46 87 55 44 58 66 67 69 3 7 4 Th mes porteurs Charge d espace On peut citer comme possible sujets d investigations la question du transport des particules en pr sence de charge d espace en connexion avec les projets d installations de protons a haute intensit telle que IPHI au CEA 75 avec pour objectif la ma trise de la dynamique et le contr le du halo On peut aussi s appuyer pour cela sur des travaux actuellement en cours au CEA 90 Rayonnement synchrotron En mati re de rayonnement synchrotron basse fr quence en particulier cf Sections 3 2 2 et 3 2 4 un d veloppement tres utile serait d inclure la composante champ proche n cessaire l valuation correcte des ph nom nes dont l expression est cf Eq 3 2 2 page 14 pour les notations et pour comparaison avec la composante champ lointain 42 ne 7 T 1 ee eg 3 7 5 Machines circulaires On peut citer comme autre th me de d veloppement l outillage indispensable une utilisation du code en calculs relatifs aux machine
20. but d une application au transport de spin dans un sol no de d injection du synchrotron SATURNE du LNS Publi 42 ainsi qu un projet de serpent sib rien Publis 34 36 38 Rapport de stage Suivi num rique de particules charg es dans un sol noide Note CEA IRF LNS GT 1991 10 02 1992 10 04 1992 Sophie Turlur stage de 2 ann e de l Ecole Polytechnique F mi nine Lieu CEA IRF LNS Groupe Th orie Saclay D veloppement de codes de calcul d optique corpusculaire Publi 45 application a l tude du franchissement des r sonances d polarisantes dans le synchrotron SATURNE du LNS dans l optique d un projet de serpent sib rien Publis 34 36 38 Rapport de stage Simulation des effets d polarisants dans le synchrotron SATURNE pour la mise au point du logiciel de trac de trajectoires Zgoubi Note CEA IRF LNS GT 1992 05 1997 07 1997 Alexis Paris Under Graduate Student de l Universit de Mayaguez Puerto Rico stage de fin de 4 ann e Lieu Laboratoire FERMILAB Beams Division Physics Department Batavia Illinois USA dans l quipe de la collaboration CERN US sur le Les r f rences de la forme Publi Num l p Num renvoient la liste de publications donn e en Section 2 pages 6 8 les autres r f rences entre renvoient la liste des r f rences pages 51 55 projet LHC Etude des effets de certaines non lin arit s optiques sur la dynamique des protons dans le collisio
21. cia ft W q H ds intervenant dans ces diff rentes quations sont obtenues partir de p aa par d c c 1 e 9 1 Bp c Bo v Bp Finalement les seules inconnues qui subsistent sont les d riv es li et br des champs lectrique et magn tique normalis s celles ci sont calcul es partir des vecteurs champs e X Y Z b X Y Z et gititk gt Oititk EES et AXIDVIOZE qui sont elles connues elles font l objet de descriptions explicites dans le code partir de mod les analytiques des champs ou d interpolation dans des cartes de mesures etc E 1 diff rentiations successives qui donnent 1 etc d de leurs d riv es 3 7 2 Exemple de mod le de champ multip le magn to et ou lectrostatique Pour calculer le champ B X Y Z d un 2n multipdle magn tique dans un r f rentiel cart sien ainsi DFE LOVE den i SE S j k OX 0Y 0Z 0 4 avec par exemple n 2 pour le quadrup le n 6 pour le dod cap le etc on utilise l expression du potentiel scalaire d coulant de la r solution de l quation de Laplace 89 que ses d riv es d ordre quelconque par rapport aux trois coordonn es co 29 zt 2 q n sin m SR AY Z nl 3 ue BER mel EE q 0 3 7 4 41 qui donne Ba X Y Z et ses d riv es par d rivations ge G X est le gradient longitudinal 0 1 exp P s distance la face magn tique Dans le cas d un multip le lectrostatiq
22. cl aire submicronique constitu e de quadrup les de focalisation magn to lectrostatiques formant un achromat au second ordre 68 Ces travaux sont le prolongement d une tude r alis e au LNS 69 concernant la conception de la microsonde du Laboratoire Pierre Sue du CEA Saclay 70 et en col laboration avec celui ci Ils ont rapidement diffus dans d autres Laboratoires travaillant sur les microsondes 71 ou d une fa on plus g n rale sur les ensembles optiques qui comportent les deux types d l ments lectrique et magn tique tel le Laboratoire du Cyclotron TRIUMF Vancouver 3 6 1 Uniformisation transverse d un faisceau de particules Le principe de l uniformisation transverse d un faisceau de particules par un octup le magn tostatique est connu depuis 1983 73 et son am lioration par des lentilles d ordre sup rieur impair dod cap le etc depuis 1988 74 mais le r glage des lentilles non lin aires intervenant dans ce type d optique s est toujours fait de fa on empirique ce qui est fastidieux et d licat voire source d chec Cela nous a amen s d velopper une m thode de calcul de la force des non lin arit s mises en jeu ainsi que r sum ci apr s Une autre retomb e de ces calculs est la connaissance que l on en tire du halo qui accompagne le faisceau transport et donc par exemple des taux de pertes de particules dans les parois de la chambre vide ou d irradiation de l envir
23. d EE ISA jae ee a wail a eee ae CE a ae T ee n Lignes de flux dans l ondulateur Spectre du rayonnement y cote du faisceau de particules dans l entrefer de l aimant Figure 1 Figure de gauche demi culasse de l aimant onduleur Figure de droite spectre rayonn par un faisceau de protons de 270 GeV et spectre de l effet de bord qui montre le gain ainsi obtenu SYNCHROTRON LIGHT HORIZONTAL PROFILE 1980 03 26 10 19 09 T P IP SUM VMAX MU SIG 2X EM ei 6500 322 0 1806 54 8 1 7 26 1 12 ds 313 6620 335 1 1808 73 8 2 2 2739 T h 353 32 1 6740 348 4 1808 dou Set EE 76 Se Bi H 6860 362 0 1808 130 2 3 8 27 0 7 1 3 1 31 8 es 6980 375 7 1808 262 9 7 9 26 3 67 2 9 29 4 ps q H oi T instant de la mesure ms ae P energie des protons GeV Z IP nombre de protons x 10 z ES SUM int grale du profil S Di HU moyenne en nombre delignes S 5 SIG variance en nombre delignes ao Sh 6740 i g 5 rc 2X amp xSIG mm Ss EM emittance normalis e Tom mrad E Lt D 6860 35 6980 sh Mesure d mittance pendant l acc l ration Figure 2 Figure de gauche dispositif de d tection du rayonnement onduleur au SppS Figure de droite profil transverse du faisceau obtenu par traitement d image 12 Conception du syst me de mesure de profil des faisceaux p et p mise au point de l exp rience et premiers r sultats d exploitation 4 Le dispositif et les profils transverses des faisceaux de pr
24. est bien d environ 100 au voisinage de la partie visible du spectre En effet en consid rant que T d 1 a y 8 2y c 2 510 17s pour une distance d 0 75 m entre les deux dip les dont la d viation est a 0 41078 rad avec y 8 8 104 lectron de 45 GeV et w 410 rad s lumi re visible on trouve que l att nuation vaut 4sin wT 2 oT 1072 3 2 4 Rayonnement synchrotron basse fr quence Le spectre du rayonnement synchrotron visible LEP et plus g n ralement basse fr quence w We dans toute machine lectrons peut trouver une formulation analytique On y parvient en identifiant la TF de l impulsion de champ lectrique Eq 3 2 6 son int grale en temps soit w El dT Eee E 3 2 10 o w 2r est la fr quence de rayonnement synchrotron observ e et dr dt 1 t B t est une quantit connue cf page 14 Ceci est parfaitement justifi si l on s int resse la seule partie basse fr quence du spectre Compte tenu de l expression du champ lectrique rayonn telle que donn e par les Eqs 3 2 2 3 2 4 ainsi que de l expression de la densit spectrale angulaire d nergie donn e en Eq 3 2 7 on montre que cette derni re s crit 14 Fig 5 a gy wT 4 vi 6 3 2 11 dar ien 2 ap y woT p T 1 L 2 ap y woT 4 2 q y 2 1 l 2 Aar eng 1 202 y2 woT af 14 72h y woT ww o wo c p est l
25. le cas C est celui d une travers e multiple en pr sence de mouvement synchrotron Figure de droite franchissements successifs de deux r sonances voisines s par es soit A de 8 fois la largeur des r sonances soit B de 2 8 fois seulement et l quation de Lorentz 3 7 1 ayant la m me forme la premi re est justiciable mutatis mutandis du m me traitement que la seconde tel que d crit en Section 3 7 1 d une part ce qui d autre part rendait ais e son installation dans le code de trac de trajectoire Zgoubi du Laboratoire National SATURNE 44 56 57 L p Dans l Eq ci dessus on a Q 14 yG b G 1 y by o G est le moment magn tique anomal de la particule by est la composante de b parall le la vitesse de la particule On peut simplifier l criture en utilisant comme en Section tal H ds vdt mv mvii q Bp ce qui conduit a la forme plus ais ment manipulable EWEG avec D 3 5 2 On r soud num riquement cette quation diff rentielle en progressant pas pas par sauts de longueur As typiquement de l ordre du centim tre du point Mo au point M Fig 16 par d composition en s rie de Taylor tronqu e arbitrairement l ordre 4 en As soit S 2 Q 2 30 3 d 4 SM 5 Mp Mo As St Mo ai Mo SE m SE Mo 3 53 Les d riv es Sin d ds en Mo sont obtenues par d rivations r currentes de x amp et les by et d riv es intervenant da
26. lectrostatique l image fait environ 0 5um si l on utilise un doublet magn tostatique conventionnel 68 noter que qui plus est le degr de d finition obtenu est mis en valeur par la structure de Lissajous plus fine encore qui se r v le 3 6 3 Th mes porteurs Uniformisation L uniformisation transverse des faisceaux est sujet d tude dans le cadre de plusieurs projets comme APT Los Alamos USA 78 pour la production de tritium par spallation ESNIT JAERI 79 Japon pour le test de mat riels sous irradiation de neutron En particulier aussi au CEA avec le projet IPHI t te de ligne source ler tage d acc l ration d une installation d irradiation des d chets nucl aires par des protons de haute nergie 75 qui permet d envisager de tester en grandeur nature les principes th oriques pr sent s en Section 3 6 1 Quoiques que d j abord s par certains auteurs 80 les probl mes de charge d espace ou de contr le du halo continuent de n cessiter des 35 Accelerator Production of Tritium 36 Extended Spallation Neutron Irradiation Target 77 Installatien de Protons Haute Intensit 37 tudes approfondies en particulier si une application est envisag e par exemple dans une phase ult rieure des projets IPHI ou TRISPAL 66 81 au CEA Microsondes La voie des quadrup les achromatiques combinant champs lectrique et magn tique peut tre une solution la recherche de
27. production en micro lectronique acquis Texas Instruments France en 1978 79 cf CV page 1 et de physicien du rayonnement synchrotron acquis au CERN Section 3 2 1 m a valu d tre recrut d but 1982 au Laboratoire d Electronique et de Technologie de l Informatique Commissariat l Energie Atomique Grenoble sur les programmes de microlithographie par rayonnement synchrotron X auxquels j ai contribu jusque vers 1984 poque laquelle le LETI a d cid l abandon de ces programmes conjoin tement au regroupement des forces en microlithographie par UV et par faisceau d lectrons C est dans ce dernier domaine que je me suis investi jusqu en 1986 C est ce que j appelle la P riode micro lectronique Section 3 3 A la suite de ces r orientations de programmes j ai demand et obtenu en 1986 de poursuivre des activit s de physique des acc l rateurs circulaires au sein du Groupe Th orie du Laboratoire National SATURNE laboratoire mixte CEA CNRS Institut de Recherche fondamentale Com missariat l Energie Atomique Saclay Ces activit s constituent la majeure part de la mati re ici pr sent e elles sont des fragments des recherches men es bien par le Groupe Th orie du Labo ratoire National SATURNE petite quipe de 5 7 selon les ann es ing nieurs docteurs sous la responsablilt d A Tkatchenko du CNRS IN2P3 IPN Orsay Finalement le LNS ferme cette ann e 1998 apr s 40 ann es d
28. recherche sur l utilisation du rayonnement synchrotron X dans les tapes de mi crolithographie de la fabrication des circuits int gr s Ma premi re mission t de d velopper un programme de calcul des temps d exposition aux RX des r sines sensibles destin d une part servir de support th orique aux exp rimentations en cours d autre part permettre de d finir les param tres d une source de rayonnement synchrotron adap t e 28 Les 2 types de sources de RX tube anticathode ou anneau de stockage d lectrons taient donc consid r s et le code incluait en particulier les effets de bande passante des substrats et autres filtres int ressant cette tape des op rations de microlithographie Ce code a t valid partir des r sultats d exp riences r alis es aux moyens d un tube anticathode au LETI et aux moyens du rayonnement synchrotron X sur l anneau ACO du laboratoire LURE d Orsay Il a ensuite t utilis pour la d finition des param tres d nergie champ magn tique et longueur d onde critique d un anneau de stockage d lectron source de rayonnement synchrotron adapt e aux besoins de la microlithographie Ces questions faisaient l objet d une collaboration dont je devais avoir la charge avec le groupe th orie du laboratoire Nationale Saturne du CEA Saclay qui tudiait cette fin le projet MARS 29 de machine rayonnement synchrotron constitu e de dip les de courbu
29. sence de mod les aussi r alistes que possible des champs et de leurs d fauts ventuels e g les champs de fuite d extr mit des lentilles 36 Microsonde EBqgpole zoubl Version vi 0 001 0 0005 D I 0005 001 Figure 15 Figure de gauche ensemble de 50 trajectoires formant un tube faisceau dans l tage final d une microsonde utilisant un doublet quadrup laire lectro magn tostatique Figure de droite section transverse de la sonde submicronique 0 7 um x 0 4 um au point image l extr mit droite de la ligne en pr sence d une dispersion en moment 3 1074 lt p p lt 31074 uniforme En pr sence de quadrup les purement magn tostatiques la dimension de cette sonde serait environ 25 fois plus grande du seul fait de cette dispersion Cette possibilit tait offerte par le code Zgoubi 44 en usage au Groupe Th orie du LNS cf Section 3 7 dont pour la circonstance la biblioth que d l ments optiques a t enrichie de lentilles multip laires magn to lectrostatique 68 comme pr sent en Section 3 7 2 Le r sultat spectaculaire est dans la pr cision du trac de trajectoire que l on observe par exemple en Fig 15 l amplitude de l excursion transverse des particules parcourt une gamme de pr s de cinq ordres de grandeur le long de la ligne optique pour atteindre in fine une dimension aussi petite que 0 03um la sonde en pr sence d un doublet focalisant magn to
30. sondes sensiblement submicroniques comme cela est envisag au laboratoire Pierre Sue du CEA Saclay Les travaux de th se de P H Mutsaers 82 en montrent l int r t de m me que les consid rations d velopp es en Section 3 6 2 ci dessus S orienter dans cette direction suppose un investissement th orique concernant d autres effets susceptibles de prendre alors une im portance non n gligeable tels que la stabilit l alignement les aberrations g om triques qui peuvent devenir pr pond rantes et chromatiques d ordre trois et plus les effets thermiques etc 38 Ces travaux font au demeurant appel au code de trac de trajectoires Zgoubi 44 d velopp au Laboratoire National SATURNE 38 3 7 M thodes d optique non lin aire le code d optique corpusculaire Zgoubi Les activit s d optique corpusculaire au Groupe Th orie du Laboratoire National SATURNE nous ont amen s a prendre en main et assurer la maintenance et le d veloppement du code de trac de trajectoires Zgoubi 44 Ce code est probablement le plus puissant au monde dans sa cat gorie en terme de pr cision de la m thode d int gration en terme de volume et vari t de sa biblioth que d l ments optiques par exemple Le logiciel informatique Zgoubi calcule les trajectoires de particules charg es dans des champs magn tiques et lectriques Il est n vers 1970 des besoins de la spectrom trie nucl aire au Lab oratoire National Saturne
31. t INPI Num 98 02073 20 02 1998 2 4 Rapports internes CEA CERN FERMILAB TRIUMF etc 1 F M OT Alhages amorphes pour m moires bulles magn tiques CEA CENG LETI MBM Rapport de stage 1977 2 F M OT et P BILLION L nergie olienne r alisation d un rotor de type Darrieus CEA CENG ASP Rapport de stage 2 vols 1978 4 J BOSSER et F M OT Effet Compton au SPS mesure de profil du faisceau CERN SPS AMB 80 17 1980 6 J BOSSER L BURNOD F MEOT A RICHE Projet d ondulateur magn tique CERN SPS ABM JB 80 8 03 04 1980 7 U JANSSON R KEIZER F M OT M MOTTIER Construction of an undulator magnet for 270 GeV p and p CERN SPS EMA Note 81 19 30 Aug 1981 8 F MEOT Mesure de profil par rayonnement ondulateur des faisceaux de protons et antiprotons PhD Thesis of INP Grenoble France Divisional Report CERN SPS ABM 81 21 1981 9 F MEOT Programme de calcul du temps d exposition des r sines sensibles aux R X CEA CENG LETI MSC 1431 6 aout 1982 11 J BOSSER R COISSON A HOFMANN F MEOT Possible uses of synchrotron light for e e beam profile monitoring in LEP and SPS CERN LEP Note 397 21 June 1982 12 F MEOT et M BELAKHOVSKI Les diff rentes sources de lumi re synchrotron CEA CENG LETI MSC 1453 1983 13 F MEOT et J HARTMAN Mesures dimensionnelles sur les circuits int gr s CEA CENG LETI MSC 1454 22 avril 1983 15 B DAL ZOTTO H DUGOURD M LERME F MEOT Simulation de l
32. tudes diverses sur le LHC Etude et r solution d un probl me d interf rences en rayonnement synchrotron au collisionneur LEP 09 1996 09 1997 FERMILAB Batavia IL USA Guest Scientist sous contrat DOF De partment Of Energy en d tachement du CEA Conception du collisionneur LHC du CERN dans le cadre de la collaboration CERN US Etudes diverses concernant les acc l rateurs de FERMILAB 2 Liste de publications Les publications sont class es en quatre grands groupes rapports de revues Section 2 1 conf rences et workshops Section 2 2 brevets Section 2 3 et rapports internes Section 2 4 Les num ros en vis a vis correspondent l ordre chronologique 2 1 Rapports de revues 5 R BOSSART J BOSSER L BURNOD E d AMICO G FERIOLI J MANN et F MEOT Proton beam profile measurements with synchrotron light CERN sps 80 8 ABM 18 June 1980 and NIM 184 1981 349 10 A HOFMANN and F MEOT Optical resolution of beam cross section measurement by means of synchrotron light CERN ISR TH 82 04 1982 NIM 203 1982 483 14 J BOSSER L BURNOD R COISSON G FERIOLI J MANN and F MEOT Characteristics of the radiation emitted by protons and antiprotons in an undulator J Phys Lett 45 1984 L 343 351 29 A MOALEM F MEOT G LELEUX J P PENICAUD A TKATCHENKO P BIRIEN A modified QDD spectrometer for 7 meson decay measurements NIM A289 1990 168 175 34 F MEOT A numerical method for combi
33. 05 pm 2 z 0 25 pm 3 z 0 5 Dm e resist profiles 4 development time 60 e 5 development time 120s Figure 8 Figures du haut profils d nergie d pos e dans la r sine recouvrant une plaquette de silicium Figures du bas simulation num rique des motifs g om triques ainsi obtenus apr s dissolution de la r sine en deux tapes de respectivement 50 8 1 et 180 s 2 compte non tenu gauche ou bien compte tenu droite d une compensation des effets de proximit Mentionnons aussi qu au cours de ces travaux nous avons produit les plus fins motifs de r sine submicroniques atteints en litho par faisceau d lectrons au LETI cette poque 35 r alis s au moyen d un masqueur de 50 keV chez Philips Eindhoven Ces r sultats faisaient en outre suite des simulations d taill es au moyen des logiciels mentionn s ci dessus dont on a ainsi montr l efficacit 3 3 3 Le projet d anneau rayonnement synchrotron SIREM Parall lement ces activit s j ai particip en collaboration avec M M Belakhovsky DRF CEA Grenoble au projet SIREM de source intense de rayonnement lectromagn tique anneau de stockage d lectrons de 3 5 GeV qui devait tre install proximit de l Institut Laue Langevin Mon inter vention concernait principalement la d finition des param tres de l anneau li s la gamme de RS recherch e ainsi que les r percussions sur les diff rents types de sources suppos es
34. 1982 07 1986 Commissariat Energie Atomique Grenoble Laboratoire d Electronique et de Technologie de I Informatique LETI Etudes exp rimentales et th oriques concernant l utilisation du rayonnement synchrotron en microlithographie X Etudes exp rimentales et th oriques concernant la microlithographie par faisceau d lectrons Collaboration avec le DRFMC Commissariat l Energie Atomique Grenoble au projet d anneau rayonnement synchrotron SIREM 08 1986 12 1997 Commissariat l Energie Atomique Saclay Institut de Recherche Fonda mentale IRF Laboratoire National Saturne LNS Laboratoire mixte CEA IN2P3 Groupe Th orie Optique corpusculaire physique des acc l rateurs EMPLOI ACTUEL Depuis 01 1998 CEA Saclay Direction des Sciences de la Mati re DSM Service d Etude des Acc l rateurs SEA Optique corpusculaire physique des acc l rateurs 1 2 Enseignement 10 1984 06 1986 Enseignement de physique au CUEFA en cycle de pr paration aux coles de l INPG Universit de Grenoble 27 heures par an d octobre a mai Depuis 1980 Participation diverses formations e g l une des premi res s minaire sur le rayonnement synchrotron l INP Grenoble 3 ann e G nie Physique et DEA l invitation de G Chartier le 13 janvier 1981 l une des plus r centes participation pendant 2 jours Ecole d Acc l rateurs d Archamps du CERN t 1994 travaux dirig s de physique des ac
35. 1986 et en cons quence a interrompu sa th se 1 4 Activit s collectives Referee Physical Review American Physical Society Review depuis 1995 Article revus e Jan C Hsu Investigating the sensitivities of the photon beam line flux with a deforming electron beam orbit Phys Rev E 55 6011 1997 e Z Huang and R D Ruth Effects of focusing on radiation damping and quantum excita tion in electron storage rings to be published in Phys Rev Lett 1998 Referee amp Physical Review Special Topics Accelerators and Beams depuis la cr ation de cette nouvelle revue int gralement lectronique manation de la pr c dente en janvier 1998 Actuellement membre du comit de programme du Workshop Beam dynamics and optimiza tion St Petersbourg Russie depuis 1995 1 5 Collaborations Nos activit s de physique des acc l rateurs s accompagnent de moult collaborations avec des laboratoires nationaux ou trangers Ce mode de fonctionnement signifie bien entendu une interaction forte et donc d une certaine mani re une participation de facto a l orientation des recherches et la conception des machines ou exp riences concern es A titre d exemple je mentionne ci apr s par ordre chronologique celles de ces collab orations dans lesquelles j ai t plus particulierement impliqu Certaines ont ventuellemnt motiv un d tachement ou une mission dans le laboratoire concern ainsi que d t
36. 47 92 M Berz COSY infinity Version 8 NSCL MSU MI USA 93 G W Foster E Malamud Low cost hadron colliders Fermilab Report TM 1976 21 June 1996 94 S Geer Muon colliders move nearer CERN Courier Dec 1997 95 R B Palmer Muon collider introduction and status Physics Dept BNL Upton NY USA 1998 IR Index Acc l rateurs 11 24 30 Achromat 36 Activit s collectives 4 Activit s professionnelles 9 BETA 22 24 36 Brevet 7 11 19 22 CEA 1 5 21 33 37 39 53 CERN 1 5 11 24 39 40 CNRS 9 Collaborations 4 Conf rences 6 Cursus 1 D tachements 5 Emplois 1 Encadrement de th se stage 2 3 11 30 Enseignement 2 Enveloppe non lin aire 35 ESRF 11 17 FERMILAB 2 5 24 25 39 40 Halo 35 IN2P3 9 INFN 40 Infrarouge 11 19 Interference 16 LETI 1 21 23 LHC 24 25 28 LNS 24 30 33 37 39 Lorentz 40 Micro lectronique 9 21 Micro onde 11 19 Missions 5 Multip le 41 Optique corpusculaire 30 33 34 39 Perspectives 44 Pierre Sue 38 Publications 6 Rapports de revues 6 06 Rapports internes 7 Rayonnement synchrotron 1 3 5 11 16 19 Referee 4 S3G 44 SATURNE 30 SOLEIL 33 44 Spin 30 Th se 11 Transform e de Fourier 15 TRIUME 33 Uniformisation 33 Workshops 6 Zgoubi 28 30 31 37 39 COMMISSARIAT A L ENERGIE ATOMIQUE GRENOBLE UST EC PMC REPROGRAPHIE 1998
37. 996 CEA DSM LNS CEA Saclay 1996 65 C BOVET A BURNS F MEOT M PLACIDI E ROSSA J DE VRIES Synchrotron radiation inter ferences between small dipoles at LEP Report FERMILAB Conf 97 155 1997 Proc PAC 97 Conf Vancouver BC Canada 1997 67 F MEOT Perturbation of the Periodic Dispersion Under Beam Crossing Optics in LHC FNAL Report FERMILAB Conf 97 156 1997 Proc PAC 97 Conf Vancouver BC Canada 1997 73 F MEOT On synchrotron radiation interferences CEA DSM DAPNIA SEA 97 19 CEA Saclay d c 1997 Proc SOLEIL Workshop on infrared synchrotron radiation Gif sur Yvette France 8 9 Dec 1997 74 F MEOT Low frequency synchrotron radiation from a 2 7 long dipole CEA DSM DAPNIA SEA 97 20 CEA Saclay d c 1997 Proc SOLEIL Workshop on infrared synchrotron radiation Gif sur Yvette France 8 9 Dec 1997 77 F MEOT A high brightness infrared synchrotron radiation insertion device To be presented at EPAC98 Conf Stockholm Sweden 1998 2 3 Brevets 18 F MEOT Compensation des effets de proximit en lithographie lectronique par exposition compl mentaire aux U V Demande de Brevet Europ en BREVATOME d p t INPI Num EN8600939 01 1986 20 F M OT Proc d de microlithographie optique par contact Demande de Brevet Europ en BREVATOME d p t INPI Num EN8601705 02 1986 75 F M OT Proc d et dispositif de production de rayonnement synchrotron infra rouge Demande de Brevet BREVATOME d p
38. ALERO Zgoubi users guide Version 4 FNAL Report FERMILAB TM 2010 Aug 1997 CEA DSM DAPNIA SEA 97 13 Oct 1997 71 F MEOT Correction of vertical crossing induced dispersion in LHC CEA DSM DAPNIA SEA 97 15 Nov 1997 FNAL Report FERMILAB TM 2020 Nov 1997 LHC Note 122 CERN Dec 1997 72 C BOVET A BURNS F MEOT M PLACIDI E ROSSA J DE VRIES Synchrotron radiation interfer ences between short dipoles at LEP CERN SL 97 59 BI Nov 1997 78 P PILE LR CHIANG K K LI C J KOST J DOORNBOS F MEOT et als A two stage separated 800 MeV c Kaon beamline TRIUMF and BNL Preprint to be published 3 Activit s professionnelles Plan de l expos Avertissement au lecteur Les notations et autres abr viations utilis es sont g n ralement explicit es au fil du texte Elles sont toutes fins utiles r capitul es dans la table de nomenclature page 48 La plupart des publications de revues conf rences et autres brevets de l auteur cit es en r f rence dans le texte peuvent tre trouv es dans l annexe ce document 3 1 Introduction Mes activit s professionnelles depuis 1982 s inscrivent dans les programmes de recherche du Com missariat Energie Atomique Les Sections qui suivent en exposent certains moments significatifs suppos s en tre un bon reflet On peut r sumer le contexte professionnel de la fa on suivante A la suite de ma th se au CERN 1979 81 mon double profil d ing nieur de
39. Commissariat l Energie Atomique Saclay Il a volu depuis vers une multitude d applications diff rentes comme par exemple la conception d ensembles optiques complexes contenant des l ments aussi vari s que dip les quadrup les et autres multip les non lin aires ou en core l optimisation des structures p riodiques Compar d autres codes bas s sur le m me principe e int gration num rique pas pas de l quation de Lorentz Zgoubi pr sente plusieurs particularit s e une m thode d int gration bas e sur les s ries de Taylor qui optimise le temps de calcul tout en assurant une tr s grande pr cision num rique e le transport du spin utilisant la m me m thode d int gration que pour l quation de Lorentz e calcul du rayonnement synchrotron partir des trajectoires pr alablement d termin es e possibilit d utiliser des cartes de champ e g mesur es mono bi ou tri dimensionnelles e biblioth que de proc dures Monte Carlo nombre illimit de particules simulation de la d sin t gration en vol etc e proc dure int gr e d ajustement automatique de variables sous contraintes e transport multi tour dans les machines circulaires diverses proc dures de calcul et d analyse de param tres des machines circulaires La premi re version de Zgoubi tait d di e au calcul du spectrom tre SPES II du Labora toire National SATURNE 84 le code a ensuite t perfectionn
40. Dossier de Candidature au dipl me d Habilitation Diriger des Recherches OPTIQUE CORPUSCULAIRE PHYSIQUE DES ACCELERATEURS Francois M ot meot cea fr E http ives fr DSM DAPNIA SEA Avril 1998 Jury Pr G Chartier INP Grenoble Pr sident Pr J P Longequeue ISN Grenoble Rapporteur Dr J Gareyte CERN SL AP Rapporteur Pr S Y Lee Indiana Univ USA Rapporteur Pr R Coisson Univ di Parma It Rapporteur Pr Y Petroff Directeur de VESRF Dr O Napoly CEA DSM DAPNIA SEA Dr A Tkatchenko CNRS IN2P3 IPN Orsay 1Direction des Sciences de la Mati re D partement d Astrophysique de la Physique des Particules de la Physique Nucl aire et de l Instrumentation Associ e Service d Etude des Acc l rateurs A Sylvaine a mes fils Table des mati res Table des mati res 1 Curriculum vit lel CUIUS SR mea Beene DUR CRM AE E BE mews 1 2 Ensergnement 4 ermua ERR DEERE RS Dec uns AN Igo Epeadriement GEIER ge w ver wi er RN 1 in E Mel it taie 1 4 Activit s collectives e 1 5 Collaborations memisa SEW RK RE RE sages na emma mene 2 Liste de publications 2 1 Rapports de revues su sumaenmeuamuu PETERS EG Re wl ecm uma mac me Conlerences CU WOIKGNODS nue a cham oa Bees E BK ORE ew es 2 3 none Do PIRE ae aes e a 8 3 Activit s professionnelles Plan de l expos Avertissement au lecteur dd niod param mor 2e ss re re RA RN ANE Dada me
41. OLEIL En mati re de physique des hautes nergies le devant de la sc ne est occup par deux grands types de projets le VLHC pour Very LHC aimants conventionnels ou bien aimants supraconducteurs et le projet de collisionneur de muons Les Figs 17 18 donnent un aper u de ces grands instruments Les projets de V LHC C est dans les collisionneurs de hadrons qu ont t r alis es les derni res d couvertes en physique des particules les bosons interm diaires W et Z au SppS le top quark au Tevatron et il n est pas exclu que TeV33 modifications au Tevatron pour atteindre une luminosit de 10 permette de mettre en vidence le bosons de Higgs moins que ce ne soit le LEP La raison en est que ces machines permettent d atteindre les nergies les plus lev es 2x 300 GeV au SppS en 1981 2 x 1 TeV au Tevatron en 1986 en raison de l absence de rayonnement synchrotron significatif Le LHC 24 permettra un bond d un facteur 7 en nergie avec 2 x 7 TeV mais sa construction est acquise et la communaut des physiciens des acc l rateurs tourne bien entendu d j ses regards vers la prochaine machine A l instar du LHC celle ci devrait tre une collaboration internationale du fait entre autre du co t par TeV Les projets actuels Very LHC Fig 17 tablent sur 2 x 50 TeV avec une luminosit de 10 cm2s l et un injecteur de 3 TeV 93 Trois technologies sont envisag es du point d
42. S III Publi 28 p 8 09 1993 12 1994 Co encadrement avec W Scandale CERN SL AP de Xiaoan Luo Post Doc en d tachement du Collisionneur BEPC de Beijing dans le groupe de physique des ac c l rateurs CERN SL AP CERN Gen ve Th me trait durant ce s jour Versions 3 et 4 de l optique du projet de collisionneur LHC du CERN Publis 52 53 p 8 et 54 p 6 09 1993 12 1993 Accompagnement des travaux et co encadrement du stage de Diplo marbeit in Physik de Klaus Hanke du Physikalische Institute RWTH Aachen Allemagne Lieu Groupe d Instrumentation CERN SL BI CERN Sujet Diagnostic tri dimensionnel des paquets d lectrons et positrons du LEP par rayonnement synchrotron Rapport de stage Measurements of the bunch length of LEP with a streak camera and comparison with results from LEP experiments CERN SL Note 95 65 BI CERN 13 06 95 et Report PITHA 94 1 Physikalische Institute RWTH Aachen Germany May 1994 06 1994 08 1996 Co encadrement avec Dr G Mulhaupt ESRF de la th se de Christophe Denise Participation au jury Lieu de la th se ESRF Grenoble Sujet Etude de la lumi re synchrotron mise par des quadrup les et des champs de fuite de dip les Int r t pour le diag nostic machine Th se soutenue le 11 09 96 l Univ Paris XI Orsay Jury P Chavel Dir G Chartier Rapp R Coisson Rapp F M ot D Joyeux G M lhaupt 2H Dugourd a t recrut par EDF l automne
43. TURBED DISPERSION WNIT Ta RI He DU LUC version 5 6 collision optics SUN version 8 166 1520897 10 467 19 Dam Ha CHE 13 5 LA fra Sifp or aw TE same ris sl eei 3 Figure 10 Figure de gauche sch ma de la dispersion perturbative horizontale dy due un croisement des faisceaux a l IP situ au centre de la figure d angle total 2x 200 urad La dispersion D due aux dip les des arcs est ainsi modul e en amplitude courbe D dz sous l effet de la perturbation dy Figure de droite Dispersion verticale r siduelle dans l Octant 5 apr s compensation de langle de croisement 22 21074 rad PIPS 87 0 5 m avec quatre paires de quadrup les tourn s plac s aux extr mit s des arcs adjacents On peut aussi obtenir partir de ce qui pr c de les valeurs de la dispersion aux points d interaction IX oO m IP Die A i DUPA Ire ee ee sin Oe Wb d r 3 4 5 ot D Kaes Oe Kl So lLeft d4g Q1 96 KL qBy sq Right et les quadrupdles Q1 Q6 sont ceux qui jouxtent l IP soit gauche Left soit droite Right Un r sultat num rique important est que dans les conditions de focalisation extr mes r 0 25 m et en pr sence d un angle de croisement 2y 200 urad total la dimension transverse du faisceau PIP s en trouve augment e de 50 cet argument suffit justifier la n cessit d une correction locale de la dispersion induite par l
44. Telegdi Precession of the polarization of particles moving in a homogeneous electromagnetic field Phys Rev Lett 2 1959 435 54 D Carvounas Suivi num rique de particules charg es dans un sol noide Rapport de stage Note CEA LNS GT 1991 55 F M ot J L Lemaire Etude d une version blind e du sol no de SOLSPIN CEA LNS GT 92 14 1992 56 S Turlur Simulation des effets d polarisants dans le synchrotron SATURNE pour la mise au point du logiciel de trac de trajectoires Zgoubi Note CEA IRF LNS GT 1992 57 F M ot A numerical method for combined spin tracking and raytracing of charged particles Proc EPAC 92 747 749 Berlin 24 28 3 92 F M ot A numerical method for combined spin tracking and raytracing of charged particles CEA LNS GT 91 05 1991 NIM A313 1992 492 500 93 58 F M ot et A Tkatchenko Calculs optiques pour le spctrom tre kaons de GSI CEA LNS GT 88 07 59 60 oi 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 1988 Status Report The QD Magnetic Kaon Spectrometer at SIS Report GSI 05 88 Darmstadt 1988 A Beck et als Contribution l tude d un acc l rateur lectrons de 4 GeV CEA LNS DIR 89 05 1989 Status report Electron Laboratory For Europe Accelerator Technical Proposal Published by CNRS IN2P3 ISN Grenoble France 1994 J Doornbos Spreader and rec
45. a vitesse de rotation de la particule dans l aimant dip laire induisant la trajectoire circulaire de rayon p T est le temps que met la particule pour traverser cet aimant d et b sont les angles d observation Fig 3 p 14 On constate que 0 W 0w060 ne d pend pas de w dans l approximation w lt we i e le spectre enveloppe des oscillations en Fig 4 droite atteint comme pr vu son maximum en w 0 avec une pente nulle Ces r sultats sont tr s diff rents de ceux donn s par la th orie classique 15 16 qui par exem ple conduit de fa on erronn e une densit d nergie tendant vers z ro avec la fr quence d observation w ou encore qui ne permet pas d interpr ter la pr sence de pics de rayonnement aux extr mit s du dip le Fig 5 etc Des photos de ce type de distribution ont t r alis es ESRF dans le cadre de la th se de C Denise 13 17 Dipole SR calculated Dipole SR calculated dW_sigma domgadPhidPsi Mom dW_pl domgadPhidPsl Nom 8 7 7 6 6 5 J 3 3 a 2 1 1 0 0 20 20 Figure 5 Densit spectrale angulaire d nergie d W dwd Ow du rayonnement synchrotron basse fr quence Figure de gauche composante de polarisation parall le au plan de d viation de la particule Figure de droite composante de polarisation orthogonale Les pics de rayonnement aux extr mit s du dip le sont dus l effet de bord 23 Dipole SR calculated Di
46. aill dans ce curriculum vit en Section 1 6 Spectrom tre QD a Kaons du laboratoire GSI Darmstadt 58 59 Publi 22 p 7 Projet de recirculateur lectrons Publi 27 p 8 devenu projet ELFE impliquant plusieurs laboratoires francais et europ ens Publi 47 p 8 CEA Saclay IN2P3 ISN Grenoble CERN INFN Milano NIKHEF Amsterdam Univ de Bonn Bergische Universitat Wuppertal INFN Frascati LAL Orsay etc J ai a cette occasion organis le s jour au LNS de J Doorn bos 62 63 Physicien de TRIUMF Vancouver Canada pendant 1 5 an en 1991 1992 financ par son laboratoire Microsonde nucl aire du Laboratoire Pierre Sue CEA Saclay Publi 44 Conception de la ligne Kaon de 800 MeV c du Brookhaven National Laboratory Upton NY USA Publis 33 78 Installation et mise en ceuvre du code d optique corpusculaire Zgoubi au laboratoire GANIL Grand Acc l rateur National d lons Lourds Cen Conception de l optique de l extr mit a haute nergie de l installation de spallation TRISPAL en collaboration avec les quipes de la Division des Applications militaires du CEA Bruy res le Ch tel Publis 41 55 57 59 62 64 Conception du projet de Large Hadron Collider en d tachement au CERN Gen ve Publis 52 54 Conception du projet de Large Hadron Collider en d tachement au laboratoire FER MILAB Batavia IL USA Publis 66 68 67 1 6 Missions et d tachements a
47. am at the edge of a magnetic field NIM 164 1979 375 380 20 J Bosser C Bovet et R Jung Preliminary studies on a profile monitor for the LHC using synchrotron radiation CERN LHC Note 192 17 June 1992 21 R Siemann SLAC private communication 22 J Bosser et F M ot Effet Compton au SPS mesure de profil du faisceau CERN SPS AMB 80 17 1980 23 O V Chubar Precise computation of electron beam radiation in nonuniform magnetic fields as a tool for beam diagnostics Rev Sci Instrum 66 2 Feb 1995 24 The Large Hadron Collider Conceptual Design CERN AC 95 05 LHC CERN 20 Oct 1995 Travaux de th se sur la coh rence en rayonnement synchrotron X et son utilisation en analyse de structure 25 au laboratoire de M Belakhovsky DRFMC CEA Grenoble 1998 Lee 26 Y L Mathis P Roy et als Magnetic field discontinuity as a new brighter source of infrared synchrotron radiation Phys Rev Lett vol 80 Num 6 9 Feb 1998 1220 1223 27 En collaboration avec J Bosser CERN PS C Bovet CERN SL BI 28 F M ot Programme de calcul du temps d exposition des r sines sensibles aux R X CEA LETI MSC 1431 1982 29 J Laclare et als Machine rayonnement synchrotronMARS Rapport interne Laboratoire National SATURNE CEA Saclay 30 F M ot et J Hartman Mesures dimensionnelles sur les circuits int gr s CEA LETI MSC 1454 1983 M Belakhovski et F M ot La lithographie par
48. arall le au plan de d viation de la particule Figure de droite composante de polarisation orthogonale Les pics de rayonnement aux ex tr mit s du dip le sont dus l effet de bord 23 18 Densit 0 W 0w8 dy issue d un dip le de d viation 2 7 Les graphes sont normalis s comme en Fig 5 pour mettre en vidence le gain obtenu Fig de gauche composante o du rayon nement Fig de droite composante m 18 Figure de gauche poire de diffusion d lectrons de 20 keV dans un masque au chrome recouvert d un demi micron de r sine lectrosensible 32 Figure de droite profil radial de d p t d nergie dans la r sine comparaison entre les simulations num riques Monte Carlo et les mod les 2 ou J gaussiennes 4 44 22 Figures du haut profils d nergie d pos e dans la r sine recouvrant une plaquette de silicium Figures du bas simulation num rique des motifs g om triques ainsi obtenus apr s dissolution de la r sine en deux tapes de respectivement 50 s 1 et 180 s 2 compte non tenu gauche ou bien compte tenu droite d une compensation des effets de proximit 23 Sch ma du LHC sos us se NEE OI d REEL HEN NNN AN A um 25 Figure de gauche sch ma de la dispersion perturbative horizontale dx due un croisement des faisceaux l IP situ au centre de la figure d angle total Zei 200
49. ce t montr que cela est possible et semble tendre am liorer ceux ci du point de vue d fauts multip laires et co t 41 A FERMILAB j ai r alis une tude sur les effets de l angle de croisement des faisceaux en mati re d achromatisme de l optique et sur la fa on de gu rir cette perturbation 42 J ai aussi r alis une tude sur un autre aspect de l optique en collaboration avec Mr A Paris Under Graduate Stu dent de l Universit Mayag ez de Puerto Rico dont on m avait charg de l encadrement Pour viter d alourdir le pr sent document je me limiterai illustrer ces diverses interventions par le probl me de l angle de croisement des faisceaux Section 3 4 3 et par un exemple d tude de d fauts dans les quadrup les faible 8 Section 3 4 4 3 4 2 Le LHC Le LHC 24 sera install dans le tunnel du LEP au CERN et doit d marrer en 2005 Ce sera le plus grand synchrotron du monde et il le restera pendant plusieurs ann es cf Section 3 8 Le LHC mettra en collision deux faisceaux de protons acc l r s en sens inverse dans deux anneaux entrelac s quasi identiques de p rim tre 26658 km pr sentant quatre points d intersection o seront install s les d tecteurs ATLAS CMS ALICE et LHC B Fig 9 L nergie au centre de masse est de 14 TeV 7 TeV par faisceau soit environ 7 fois plus que l actuel leader en la mati re 180n appelle ouverture dynamique le volume d espace des phases
50. ce des coefficients 2 1 qui permettent de d terminer la densit trans verse gly s Eq 3 6 3 en tout point de la ligne Fig 14 EC La Fig 13 gauche montre les enveloppes horizontales et verticales ainsi obtenues pour r 107 Eqs 3 6 5 3 6 6 selon que l on utilise un octup le seul courbe 3 ou octup le dod cap le courbe 5 3 6 2 Achromat au second ordre magn to lectrostatique Le principe de l achromat au second ordre magn to lectrostatique est connu depuis 1962 76 On montre que dans un syst me compos de deux lentilles coaxiales respectivement magn tique de force Km et lectrostatique de force Ke une particule ob it au second ordre l quation du mouve ment 77 d y s ds Km 1 8 82 Ke 1 26 367 y 0 3 6 7 signe pour le mouvement horizontal pour le mouvement vertical Au sens du transfert matriciel le mouvement pr sente des coefficients d aberration chromatique de second ordre nuls si Km 2K La focalisation au moyen d une telle lentille combin e permet d atteindre des dimensions d images si petites comme par exemple dans les microsondes nucl aires que les aberrations g om triques d ordre 3 et plus celles de second ordre sont nulles dans des quadrup les prennent une certaine importance Il devient donc n cessaire de calculer ce type d installation au moyen du trac de trajectoire par r solution num rique de l quation de Lorentz en pr
51. cible Fig 13 droite L optique corpusculaire d crit usuellement un faisceau de particules en un point quelconque d abscisse s d une ligne optique par son ellipse de phases d quation la variable y repr sente indif f remment z ou 2 7 s y 2a s yy B s y ein 3 6 1 o y et y repr sentent respectivement la position et langle d une particule en ce point 8 a et y 1 sont les param tres qui d finissent l ellipse dans l espace des phases y y l abscisse s et est la surface de l ellipse notons au passage pour la suite qu en optique lin aire cette surface est un invariant la forme de l ellipse change avec s mais pas sa surface On fait l hypoth se dans ce probl me que l ellipse est plate au droit de la lentille non lin aire OH ou OV situ e en so ceci peut toujours tre r alis au moyen de quadrup les de focalisation plac s en amont on l assimile donc un segment ce qui permet d crire y so ry so avec r fB so a so On montre alors que dans ce cas la position transverse y s d une particule en aval de la lentille s gt sg s obtient partir de son incidence initiale y so l entr e de la lentille par s K E NU 50 3 6 2 p 0 L tude d taill e 66 montre au demeurant que cette hypoth se est une condition n cessaire la qualit de l uniformisation 34 tinge Deus te alt unites abri
52. ck 8 fonction b tatron v nombre d onde On montre ensuite que d s est major e en toute abscisse s par dymaj By 8 D lait se Bytes cos Qu r e ie 3 4 3 ale e LK Le L el V By Sq sin Qy m ceh s4 2 2sin TO y avec 1 pour resp s 2 s Vg Dans le cas particulier du LHC ceci conduit aux expressions num riques dymai 4j By s ly 0o 109 y y dy maj 4j By s ly 0 0 84 y by 3 4 4 selon que sont nuls l orbite ferm e au point de collision y expression de gauche ou bien son angle DN Snyder 40 au point de collision 05 025 m tres on leur donne pour cette raison le nom de quadrup les table gr La g om trie de l acc l rateur est d finie par rapport a une orbite id ale qui passe par le centre des aimants et de la chambre vide et qui est tout aussi id alement la trajectoire d une particule de moment de r f rence Po dans une machine suppos e parfaite A cause de la pr sence de dip les dont le r le est de guider le faisceau e g trajectoire horizontale circulaire angle de croisement aux IP etc une particule de moment diff rent p ou encore de dispersion en moment p p p po po suit une orbite d cal e en position par rapport l orbite id ale Ce d calage Ay s fonction de l azimuth s dans la machine est quantifi par la fonction de dispersion D de sorte que Ay s Dy s dp p expression de droite 26 PER
53. collisionneur de muons 94 47 b a Y Co L Y 4 3 L Y 2 a Nomenclature param tre d ellipse voir OG param tres de l ellipse d q yx 2axx px ger dans l espace des phases x x Ge rigidit d une particule moment charge P Q vitesse de la lumi re nergie d une particule ymc nergie au repos d une particule mc 1 poe invariant de l optique surface de l ellipse d q yx 2arz Bx ein EC E E B v c facteur relativiste de Lorentz 1 a B param tre d ellipse voir B force d une lentille d finie par Kop4 Bp a t Bp o a est le rayon de gorge rayon du cercle tangent au p le de la lentille Bp est le champ au p le 2p 1 est le nombre de p les masse relativiste d une particule 47 107 SI fr r vecteur unitaire dans la direction d observation du rayonnement synchrotron 27 xfr quence d observation du rayonnement synchrotron moment d une particule am BEI composante de l angle d observation du rayonnement synchrotron contenue dans la plan de la tra jectoire de la particule d ds d riv e d une quantit par rapport l abscisse curviligne angle que fait la direction d observation du rayonnement synchrotron avec le plan de la trajectoire de la particule charge d une particule abscisse curviligne d une particule dimension rms d un faisceau d mittance e soit o Be x
54. de la distribution transverse g n ralement suppos e gaussienne Dans ce cas la proportion de particules situ es en dehors de cette enveloppe est r 1 erf no Dans le cas du syst me d expansion de faisceau du fait des fortes non lin arit s introduites par les lentilles d uniformisation la distribution transverse s loigne trop d une gaussienne pour que ce mod le conserve un sens II est dans ce cas loisible de calculer une T enveloppe non lin aire Y s d finie en toute abscisse s par Eq 3 6 3 Y s Y s 2 Fluh iy l T g y dy ESCHER 3 6 5 0 a 0 2 Do 2p 1 A2p 1Y s0 9 gesch L int grale de droite peut se calculer num riquement pour une distribution initiale f y arbitraire Toutefois on consid re g n ralement que les particules pr sentent une distribution naturelle gaussienne centr e soit f y ezp y 202 oy V2r ce qui permet de simplifier Eq 3 6 5 r soudre en Y s sous la forme 1 r erf yl 1 8 erf ut 2 s erf uso 3 8 8 6 6 dans le cas d une non lin arit purement octup laire il y aurait jusqu 5 racines possibles Yoo ect dans le cas d une additionnelle non lin arit dod cap laire et ainsi de suite Cette m thode num rique a t install e dans le code d optique matricielle BETA du Groupe Th orie du Laboratoire National SATURNE compte tenu de ce que le transport matriciel apporte comme on l a vu la connaissan
55. des collisionneurs de muons est de deux ordres En ce qui concerne la physique ils pr sentent par rapport aux collisionneurs de hadrons l avantage de l nergie effective comme les colli sionneurs e e en ce qui concerne le complexe d acc l rateurs les muons ayant une masse environ 300 fois plus grande que les lectrons ils rayonnent sensiblement moins que les lectrons la perte d nergie par rayonnement synchrotron va comme la puissance 4 de l inverse de la masse les ma chines peuvent donc tre circulaires et dimensions comparables Fig 17 atteindre des nergies beaucoup plus lev es qu en lectrons La Fig 18 sch matise ce que serait un complexe acc l rateur destin a alimenter un collisionneur de muons de 0 5 x 0 5 TeV ou 2 x 2 TeV La Fig 17 compare ses dimensions 4 celles d installations existantes ainsi qu au V LHC 6Muon collider sur web http www fnal gov projects muon _collider 46 SUBI OULININ pue uon asuazuy ove SMM di 3 SSSIH suonw 9 A9L APL T lt ASIN 00T SIJL NPIV HON SARL Dot poddois Diotatos s1n3de7 pue josie UOHINPOIX Uog gt 4012191999 UO Old pe suonwi ASIN OOL puueqp sunoop UOTJUZIUOT uon jeuuey ed OO 9 NA99 9 ALTXT IPHI uonyy TES pr Sa DR Ee 1894 Ston II XST IDOCOCCECO0E0000E 1894 suozoad eZOEXS T Figure 18 Sch ma du complexe acc l rateur alimentant un
56. dt 58 59 projet de recircula teur lectrons ELFE 60 61 installation SPIRAL du Laboratoire GANIL projet de machine rayonnement synchrotron SOLEIL 65 etc Parmi les diverses missions qui ont incomb au Groupe Th orie du Laboratoire National SAT URNE figure aussi le d veloppement de m thodes de calcul qui r pondent au mieux aux probl mes nouvellement pos s A titre d illustration j en donne deux exemples qui sont r v lateurs de la fa on dont nos travaux diffusent et s inscrivent dans des th mes int ressant d autres laboratoires fran ais ou trangers participant ainsi d une certaine mani re l orientation des recherches au sein de notre communaut Le premier exemple Section 3 6 1 est relatif une m thode de calcul de l uniformisation trans verse des faisceaux de particules 66 L originalit du travail dans ce cas particulier r side dans le d veloppement d un formalisme analytique qui permet le r glage rigoureux de l uniformisation la cible ainsi que la quantification du halo accompagnant le faisceau tout le long de la ligne quand le premier se faisait jusqu alors de fa on empirique et le second tait laiss de c t faute d tre compris Cette technique d uniformisation s applique par exemple la production de neutrons par spallation ou autre irradiation de cibles tendues 67 Le second exemple Section 3 6 2 est relatif la simulation num rique d une microsonde nu
57. e nergie comme le LEP 45 a 100 GeV il est donc n cessaire de Jai ult rieurement d velopp une m thode analytique permettant l interpr tation int grale des ph nom nes que l on trouvera d crite en Section 3 2 4 page 17 14 proc der de fa on astucieuse C est le cas par exemple pour le calcul de Beti B du fait de la limite de pr cision num rique on risque d obtenir 8 Oet 1 0 car la direction pr f r e d observation est presque parall le la vitesse 8 exactement parall le au sens de la pr cision du calculateur tandis que 8 amp 1 pour des nergies de quelques centaines de fois la masse au repos de la particule Pour palier cela on proc de de la fa on suivante L expression de 7 Sir est D Nz Ny Nz cos Y cos cos sin sin p 1 2 sin 6 2 sin 4 2 4sin 2sin 2 sin di 2sin 2 sin 3 2 3 r H ou Arctg et Y Arctg sie sont les angles d observation respectivement horizontal et vertical Fig 3 avec 7 r r r tandis que peut se mettre sous la forme B Bes By Be y 6 83 B23 By Be 1 1 7 62 62 By Be 1 a 2 a 8 03 16 By Be 3 2 4 o a 1 y B p2 Ceci conduit n 1 Ee et Bp 1 z avec Ez 2 sin 2 sin y 2 4 sin 2sin p 2 et a 2 a 8 a 16 s rie qui a le m rite de converger tr s vite puisqu
58. e a 1 y lt 1 De tout cela r sultent des expressions combinant alg briquement des variables qui chose tr s appr ci e de l ordinateur sont du m me ordre de grandeur en 1 y ou 1 74 soit n f Ez ep Ex Ry By he Zei et 7m Er Tes a Ny By et Get Err 3 2 5 Calcul de la transform e de Fourier du champ lectrique Le calcul de la transform e de Fourier de E 7 T pose un autre probl me de pr cision num rique Cette transform e de Fourier s crit TF E r J E rje ar amp A ETa ere Ar 3 2 6 et fournit la densit spectrale angulaire PW dwddav 2r TR E deeg 3 2 7 On la calcule sans faire appel aux techniques de FFT algorythme de Fast Fourier Transform pour deux raisons D une part l chantillonnage At As fc qui r sulte d un calcul de trajectoire est a priori arbitraire et donc diff rent de 2 d autre part la relation de At temps particule Ar temps observateur n a rien de lin aire quand le pas d int gration At est par contre en g n ral constant Un autre point cl est que Ar est susceptible d atteindre des valeurs extr mement petites savoir 1 2 ANSE 9 une fraction de l intervalle dit critique 7 SE i dans la r gion du pic central que y c 15 ao kos Ao 1 i Do U OO D D E vu D E V m ves E s observateur S v s omega keV ar aw es K a NE eg Figure 4 Do
59. e dynamique dans le code d optique matricielle BETA du Groupe Th orie du Laboratoire National SATURNE J ai ensuite pendant environ deux ans 1991 1992 travaill au probl me du transport du spin et du franchissement des r sonances d polarisantes dans les synchrotrons hadrons J aborde ce point de fa on plus d taill e en Section 3 5 A titre d illustration de ce type d activit s je mentionnerai LE grand sujet contemporain aux tudes duquel je participe depuis 1993 le Large Hadron Collider LHC futur collisionneur proton proton du CERN Une premi re Section 3 4 2 rappelle les grandes lignes de ce projet J ai travaill la conception du LHC pendant un s jour de 16 mois au CERN 1993 94 puis lors d un emploi d un an FERMILAB 1996 97 ainsi que dans l intervalle au LNS 1995 96 Au CERN j ai mis au point les Versions 3 et 4 de l optique 39 en collaboration avec Mr X Luo Post Doc en d tachement du collisionneur BEPC Beijing lectron positron collider que l on m a demand d encadrer Simul tan ment je me suis livr diverses autres tudes sur le LHC dont l une proposait l id e originale et avantageuse plusieurs points de vue en particulier du point de vue de louverture dynamique d appliquer l optique du LHC l ancienne technique des fonctions combin es 40 en introduisant un gradient transverse dans les dip les supraconducteurs dont il a pour la circonstan
60. e vue magn tisme champ faible aimants chauds 2 T champ lev aimants supraconducteurs type LHC 7 10 T temp rature de 4 5 1 9 K aimants supraconducteurs en nouvelles technologies voire haute temp rature 12 5 T voire beaucoup plus temp rature de 4 5 100 K Une particularit des machines haut champ B gt 10 T est que le rayonnement synchrotron at teint un niveau suffisant 300 kW pour 2 x 50 TeV pour rendre significatif l amortissement adia batique typiquement 3 8 heures 50 TeV pour 10 T Cela favorise la luminosit et autorise d une part d cro tre l intensit du faisceau d autre part rel cher les contraintes d mittance l injection 17 Dour en savoir plus http www acc theory kek jp ICFA 4LHC sur web http wwwlhcol cern ch V_ LHC sur web http www ap fnal gov VLHC 44 Fermilab z i Ee a NS VLH C 60 TeV p p ac a4 TeV p p j LA a a NLC 0 5 1 0 TeV ete FMC 0 5 TeV vru j gt M XS NMC TeV Wu nn Lu 10 Km Figure 17 Comparaison des dimensions des diff rents collisionneurs de hadrons ou de leptons en projet ou existants 94 45 Collisionneurs de muons Les collisionneurs de muons ont t propos s en 1983 Ce type de machine est maintenant l objet d une collaboration entre plusieurs laboratoires US BNL Fermilab Berkeley Princeton etc 94 95 L int r t
61. es deux faisceaux ces termes seront explicit s au fil du texte orbite ferm e elle m me due l existence d un angle de croisement des deux faisceaux au point de collision l quantification pr cise de la perturbation ainsi apport e la dispersion qui existe l tat naturel dans le plan horizontal elle provient de effet de prisme exerc par les dip les qui maintiennent le faisceau sur une orbite circulaire la quantification des effets sur la g om trie des faisceaux au point d interaction des m thodes de compensation de cette perturbation et leur calcul analytique int gral Dispersion p riodique Pour permettre la collision des deux faisceaux de protons la g om trie de la machine pr voit leur croisement en quatre points d interaction IP Fig 9 Dans la r gion de ces IP sur une cinquantaine de m tres de part et d autre de PIP les deux faisceaux partagent une chambre vide commune au contraire du reste de la machine et donc aussi des quadrupoles de focalisation communs A cause Ces quadrup les assurent une valeur extr mement petite de la fonction optique b tatron PIP sre B 0 25 0 5 m reli e la dimension transverse du faisceau par o B e x efr tant l invariant de Courant et 25 de l angle de croisement chaque faisceau de protons passe dans ces quadrupoles faible une distance non nulle r de leur axe optique r atteint plusieurs millim tres dans le
62. et OV Figure de droite section transverse du faisceau uniformis dla cibles a um EE As GAG 5 5 RAS EG tem certes ee E UE EU RIRE GE i 34 14 15 16 17 18 Figure de gauche principe de l uniformisation au moyen de distortions optiques d ordre impair Figure de droite densit s transverses diff rentes abscisses en aval de la lentille non lin aire Figure de gauche ensemble de 50 trajectoires formant un tube faisceau dans l tage final d une microsonde utilisant un doublet quadrup laire lectro magn tostatique Figure de droite section transverse de la sonde submicronique 0 7 um x 0 4 um au point image l extr mit droite de la ligne en pr sence d une dispersion en moment 3 1074 lt p p lt 31074 uniforme En pr sence de quadrup les purement magn tostatiques la dimension de cette sonde serait environ 25 fois plus grande du seul fait de cette dispersion Vitesse et position d une particule dans le rep re de r f rence Comparaison des dimensions des diff rents collisionneurs de hadrons ou de leptons en projet Gu existans Oik vos ee ea OH PRED Ee ROE EMTH DOOR eRe E OG Sch ma du complexe acc l rateur alimentant un collisionneur de muons 94 50 39 R f rences 1 J Bosser L Burnod F M ot A Riche Projet d ondulateur magn tique CERN SPS ABM JB Rapport 2 3 Leem kel 11 12 13
63. etc Des travaux r cents existent qui peuvent servir de point de d part 23 26 SASE FEL Sans tre directement li aux expos s qui pr c dent sinon en ce qu il met en jeu un aimant onduleur Section 3 2 1 le sujet des sources de rayonnement synchrotron du type dit de 4 g n ration FEL Free Electron Laser m rite une mention particuli re car il constitue le domaine de pointe en recherche sur le rayonnement synchrotron l heure actuelle Une exp rience consacr e en Europe pour tude de faisabilit d un SASE FEL Self Amplified Spontaneous Emission FEL sur Linac a nom TTF FEL install e DESY l extr mit haute nergie de TTF TESLA Test Facility premiers tests pr vus pour cette ann e Le FEL est constitu d un onduleur de 30 m p riode A 27 mm rayonnement SN K 2 amp 6 nm pour K 1 3 nergie nominale de 1 GeV 13TTF FEL sur web http www mpy desy de fel 20 3 3 P riode micro lectronique 3 3 1 Utilisation du rayonnement synchrotron en microlithographie Mes activit s ant rieures sur le rayonnement synchrotron Section 3 2 1 alli es mon premier em ploi d ing nieur de production Texas Instruments France 08 1978 06 1979 me conf raient un double profil qui m a valu d tre recrut en 1982 au Laboratoire d Electronique et de Technologie de l Informatique LETI du CEA Grenoble pour y mener des activit s pionni res dans le cadre des programmes de
64. f the Brookhaven National Laboratory Kaon beam line Proc Workshop Science at Kaon Factory TRIUMF Vancouver Canada 23 28 July 1990 35 P LAPOSTOLLE F M OT S VALERO A new dynamics code for electrons protons and heavy ions in LINACS with long accelerating elements Proc 1990 LINAC Conf Albuquerque N M USA 10 14 Sept 1990 36 F MEOT A numerical method for combined spin eee and raytracing af charged particles Proc EPAC 92 747 749 Berlin 24 28 3 92 50 F MEOT The raytracing code ZGOUBI CERN SL 94 82 AP 1994 3rd Intern Workshop on Optimiza tion and Inverse Problems in Electromagnetism CERN Geneva Switzerland 19 21 Sept 1994 54 W SCANDALE et als The lattice of the CERN Large Hadron Colliders Proc PAC ICHEA conf 1 5 May 1995 Dallas Texas USA 55 F MEOT and T ANIEL On beam uniformization by non linear optics CEA DSM LNS GECA GT 95 05 1995 2 nd Intern Workshop on Beam Dynamics and Optimization Faculty of Applied Mathematics St Petersburg Russia 4 8 July 1995 59 F MEOT T ANIEL Non linear tuning and halo transport in beam expanders Proc EPAC96 Conf Sitges Spain 1996 60 F MEOT Synchrotron radiation interferences between small dipoles at LEP Proc 1996 s ICFA workshop on 4 th generation SR sources ESRF Grenoble Jan 1996 61 F MEOT Production du rayonnement synchrotron applications au LEP et au LHC Proc 7 mes Journ es d Etudes de SATURNE Ramatuelle 29 01 02 02 1
65. hoven The Cyclotron Laboratory Eindhoven University of Technology 1995 F M ot and S Val ro Zgoubi users guide TRIUMF Report TRI CD 90 02 1990 P F Meads A nonlinear lens system to smooth the intensity distribution of a gaussian beam IEEE Trans on Nuc Sci vol NS 30 No 4 Aug 1983 E Kashy B Sherrill Method and apparatus for uniform charged particle irradiation of a surface United States Patent Num 4 736 106 Apr 5 1988 Projet IPHI DSM DAPNIA SEA CEA Saclay V M Kel man and S Ya Yavor Achromatic quadrupole electron lenses Soviet Physics Technical Physics vol 6 No 12 June 1962 R W de Leuuw et als Derivation of the trajectory equations of achromatic quadrupoles with hamiltonian theory Report Eindhoven Univ Techno 1990 B Blind Generation of a rectangular beam distribution for irradiation of the accelerator production of tritium target Proc 15th Int LINAC Conf 1990 D P Rusthoi et als Non linear beam expander for ESNIT Proc 17th Int LINAC Conf KEK Tsukuba Japan Aug 21 26 1994 54 80 Y K Batygin Nonlinear potential distribution for high current beam transport without emittance growth Proc LINAC 94 Conf 1994 81 Projet TRISPAL Livre blanc para tre CEA DAM B3 1998 82 P H Mutsaers Design and realisation of the Eindhoven scanning proton microprobe PhD Thesis Techn Univ Eindhoven 1995 83 S Kowalski and H A Enge RAYTRACE MIT
66. il existe ou il faut trouver d autres fa ons de proc der qui ventuellement demandent des tudes suppl mentaires th oriques ou exp rimentales Ces recherches sont un passage oblig pour amener et stocker pendant plusieurs heures des faisceaux de protons des nergies de plusieurs centaines de GeV avec une polarisation suffisante pour la physique la limite sup rieure actuelle d acc l ration de protons polaris s est de 25 GeV Le sujet est d actualit pour les machines comme RHIC Relativistic Heavy Jon Collider Brookhaven National Laboratory USA 250 GeV en protons d marrage pr vu pour 1999 optique du projet RHIC tait au demeurant l une des motivations des exp riences de serpent sib rien de IUCF abord es plus haut comme HERA DESY Hamburg protons de 820 GeV comme le Tevatron Fermilab IL USA protons de 0 9 TeV Les m thodes num riques de transport de spin les m thodes pour venir a bout des travers es de r sonances font l objet de publications r guli res 2 Pour en savoir plus http www mpy desy de proton_pol 30 Pour en savoir plus http www acc theory kek jp ICFA 32 3 6 Optique corpusculaire La conception d acc l rateurs de lignes de transport de spectrom tres pour la physique nucl aire sont les t ches de fond de l optique corpusculaire En une dizaine d ann es nous avons trait nombre de sujets volumineux spectrom tre Kaons pour GSI Darmsta
67. intensit mise au voisinage du vis ible est faible le LHC rayonnant peu pr s comme son injecteur le SPS qui a d j fait l objet de recherches pouss es en mati re de rayonnement synchrotron des protons Les travaux publi s 20 ont fait l objet de prolongements auxquels j ai particip en 1994 1995 27 Ces derniers devraient se pour suivre en s appuyant en particulier sur les r sultats des investigations r alis es sur les interf rences au LEP 9 10 12 qu il est n cessaire l aussi de prendre en compte 19 Formation d image en lumi re coh rente Les ph nom nes d interf rences voqu s en Section 3 2 3 mettent en jeu le champ plus vaste de la formation d image en lumi re coh rente domaine qui se pr te des d veloppements th oriques car encore peu explor alors que la finesse des applications et la demande en qualit imposent de ma triser ces effets et de les comprendre cet aspect interf rences viennent s en ajouter d autres tels que les effets de la profondeur de champ Ces derniers deviennent plus pointus dans la mesure o l on est tenu de prendre en compte la composante champ proche du rayonnement synchrotron Eq 3 7 5 page 43 ce qui est obligatoire d s que la distance d observation r et la longueur d onde observ e A v rifient r lt y relation v rifi e lorsque devient comparable la longueur d onde critique 29 37 Vient s y ajouter aussi la diffraction 5
68. interaction lectrons mati re par m thode de Monte Carlo Application l tude des effets de proximit en microlithographie CEA CENG LETI MSC 1491 1985 16 F MEOT et als Masquage lectronique premiers niveaux M O S denses en 0 2 um Compte rendu de mission Philips Eindhoven 24 27 mars 1986 21 T ANIEL J M FILHOL F M OT et J PAYET Commandes et contr les de MIMAS CEA IRF LNS Bulletin Interne de SATURNE Num 12 1987 22 A TKATCHENKO et F MEOT Calculs optiques pour le spectrom tre kaons de GSI CEA LNS GT 88 07 1988 23 F MEOT A MOALEM J P PENICAUD A TKATCHENKO G LELEUX Modified SPES II for studying n decays at SATURNE CEA LNS GT 88 08 31 05 1988 24 F MEOT et S VALERO Manuel d utilisation du code ZGOUBI CEA LNS GT 88 13 1988 25 A MOALEM F MEOT G LELEUX J P PEN ICAUD A TKATCHENKO Eta decays analyses with the modified SPES II CEA LNS GT 88 14 1988 26 F MEOT et N WILLIS Raytrace computation with Monte Carlo simulation of particle decay CEA LNS GT 88 18 1988 27 A BECK E KLEIN G LELEUX F MEOT A TKATCHENKO S VALERO Contribution l tude d un acc l rateur lectrons de 4 GeV CEA LNS DIR 89 05 1989 28 W ROSCH M BOIVIN R BRIZZI M P COMETS Y Le BORNEC E LOIRELEUX F MEOT B TATISCHEFF and N WILLIS Creation of a unique field map for the spectrometer SPES III from measured maps of the focal and fringing fields CNRS IN2P3 IPNO DRE 89 31
69. ique Ma mission principale dans ce domaine a t dans un premier temps le d veloppement d un logiciel de simulation de la diffusion des lectrons dans les solides ce qui m a donn le loisir d encadrer la th se de Mr Herv Dugourd Les travaux de th se de H Dugourd avaient pour but outre de 29 contribuer cette entreprise de la prolonger par la simulation d taill e des effets de proximit et leur compensation 14 32 ZU existe plusieurs m thodes pour compenser e att nuer au mieux ces effets de proximit Voir plus bas 21 0 5 50 trajectoires Ep 20 keV t x pm comparison between Monte Carlo simulation and analytical models a and b 1 Monte Carlo results 0 5pof PMMA on Si 20 keV z 0 25 pm a 2 2 gaussfans model see parameters in table I e BR b 3 3 gausstans model see parameters In table 1 o Core Figure 7 Figure de gauche poire de diffusion d lectrons de 20 keV dans un masque au chrome recouvert d un demi micron de r sine lectrosensible 32 Figure de droite profil radial de d p t d nergie dans la r sine comparaison entre les simulations num riques Monte Carlo et les mod les 2 ou 3 gaussiennes Ceci est illustr en Fig 7 qui montre une simulation Monte Carlo du d p t d nergie radial autour de l axe du faisceau d lectrons incident dans la r sine recouvrant un masque au chrome ainsi que la mod l
70. isation par un mod le deux ou trois gaussiennes de la forme oeil A er BA Le 3 3 1 1l nt p la p Ch T pour lequel les valeurs des param tres a B y 7 p sont obtenues par interpolation partir des profils d nergie obtenus soit par la mesure soit par la simulation Monte Carlo de la diffusion les deux m thodes pr sentant au demeurant un excellent accord au terme des d veloppements de code L application de ce qui pr c de la simulation des effets de proximit ainsi qu leur compen sation est sch matis e dans la Fig 8 qui a t obtenue au moyen des outils logiciels que nous avons d velopp s au LETI Jai t amen d poser un brevet d invention concernant la compensation des effets de proxim it 33 qui au demeurant a t l objet d investigations exp rimentales et th oriques dans le cadre des travaux de th se ci dessus mentionn s J ai d pos un second brevet 34 qui avait donn lieu au stage d cole d ing nieur de Mr Alain Charles et concernait la microlithographie optique aux U V par contact Ces deux brevets sont bas s sur l utilisation d un mat riau du type mulsion photographique halog nure d argent que l on d pose en couche mince la surface de la r sine graver Cette mul sion est environ 1000 fois plus sensible que la r sine On y imprime une image de masque comme en photographie conventionnelle sans que cela affecte en rien la r sine sous
71. jacente cause de cette diff rence de sensibilit on se retrouve ainsi avec une sorte de masque auto port par la r sine Dans le cas du premier brevet cela permet de r aliser dans un deuxi me temps une insolation globale pr liminaire qui va pr sensibiliser la r sine selon une image compl mentaire des motifs qui seront ensuite dessin s par faisceau d lectrons On montre qu alors les effets de proximit sont extr mement bien compens s Dans le cas du second brevet le premier masque l argent joue le r le d un masque de proc d de microlithographie optique aux U V par contact avec cet avantage que ce masque est en contact parfait avec la r sine r duisant ainsi au minimum la perte de r solution par diffraction de Fresnel 15Par une m thode de gradient performante dite de Fletcher Reeves que j ai ult rieurement install e dans le code d optique matricielle BETA du Laboratoire National SATURNE 18L int r t du masquage optique par contact r side dans le fait que c est la technique optique qui procure la meilleure r solution elle n est limit e que par la diffraction de Fresnel 22 o 2 5 Le Sa i a uncorrected jn b corrected exposure dose pom 1 173 wien exposure dose 151 pe cm2 a 2 156 er zone 3 151 pt em ee WTA o D SZ p proximity effect correction 0 5 pm PMMA on er 20 keV spot diameter 0 5 pm five 0 5 pm lines with 5 gaps e energy proffle 1 z 0
72. l tranger A plusieurs reprises dans le cadre d activit s particuli res ou la faveur de collaborations impliquant mon laboratoire j ai t amen travailler en mission ou d tachement dans des a H A H D laboratoires trangers souvent comme invit scientifique 07 et 08 1989 Universit Ben Gurion du Negev Isra l D partement de Physique Beer Sheva Israel Invit Etude d un projet de spectrom tre grande acceptance associ au spec trometre SPES II du Laboratoire National SATURNE dans le cadre du programme d exp riences de d croissances rares du m son 7 au LNS CEA Saclay 05 10 1990 TRIUMF Universit de British Columbia Vancouver Canada En mission pour le CEA IRF LNS dans le cadre du contrat de collaboration quinqu nal LNS TRIUMF Implantation du code d optique corpusculaire Zgoubi conception et r glage de la ligne Kaon LESB3 du laboratoire BNL New York 07 et 08 1991 Universit Ben Gurion du Negev D partement de Physique Beer Sheva Isra l Invit Etude d un projet de spectrom tre grande acceptance associ au spectrometre SPES IT dans le cadre du programme d exp riences de d croissances rares du m son 7 au LNS Saclay 06 et 07 1992 JINR Dubna Russie Invit Implantation du code d optique corpusculaire Zgoubi 09 1993 12 1994 CERN SL AP Accelerator Physics Group Gen ve Suisse Associate Physicist Conception de l optique du LHC Versions 3 et 4
73. laboratoire et notations utilis es dans le texte La particule tourne avec la vitesse wo c p le rayonnement synchrotron qu elle met est observ grande distance r suppos e constante sous l incidence arbitraire 3 2 2 Une m thode de calcul num rique du rayonnement synchrotron Le champ lectrique EIS T J ai d velopp les calculs qui suivent pour donner un support th orique bas sur la simulation num rique aux interf rences entre dipdles courts observ es au LEP IO 10 Le champ lectrique de l impulsion lectromagn tique du rayonnement synchrotron tel qu observ distance r grande r gt r Fig 3 s crit 15 16 SL H t x a t Be x d idr E R T ATEOC r t D t 80 3 2 2 o t est l chelle de temps du mouvement de la particule responsable de l v nement l mission du rayonnement et 7 est celle de l observateur les deux tant li es par r t r t c o r t c est le temps que met le signal pour parcourir la distance de la particule l observateur soit sous forme diff rentielle dr dt 1 7 t 8 t Les vecteurs F t position et SI Z vitesse c du mouvement de la particule s obtiennent par un calcul de trajectoire par exemple comme expos en Section 3 7 1 Calcul de Beil S Le calcul num rique de certaines des grandeurs intervenant dans a 7 7 peut poser des probl mes pour les acc l rateurs tr s haut
74. m tre QD pour faisceaux exotiques e octobre 1996 LBL Berkeley USA la demande de R Carr conception d un aimant onduleur pour l mission de rayonnement synchrotron e 1995 laboratoire du synchrotron COSY KFA Jiilich Allemagne tude des effets des champs de fuite des aimants du synchrotron sur la d polarisation du faisceau acc l r e 1993 LPNHE Ecole Polytechnique Palaiseau la demande de Denis Bernard conception d un syst me de focalisation triple foyer aimant o et d un spectromtre Elbek associ pour une exp rience d acc l ration par plasma 88 J ai moi m me install ce code dans plusieurs laboratoires e g GANIL Caen en 1988 conception et optimisation de lignes de transport Zgoubi est en usage courant GANIL FERMI LAB USA en 1996 pour l tude tude des effets des champs de fuite des aimants sur les param tres du futur anneau de stockage de protons aimants permanents de 8 GeV Recycler Ring 87 et pour des tudes sur le LHC 46 au CERN en 1993 pour cette m me raison 45 ainsi que pour une tude d interf rences en rayonnement synchrotron sur une installation de diagnostic au LEP cf Section 3 2 3 etc 8 7 1 Int gration de l quation de Lorentz L quation de Lorentz d mu o SC q 0 x 5 3 7 1 INFN sur web http www infn it 1COoler SYnchrotron COSY sur web http wwwslap cern ch icfa nlapr97 node21 ht
75. major e par RL s0 mar 7 6 2 8 3 4 9 ce qui conduit une force maximale de 1 11078 m7 pour un angle de croisement 2z 200urad et avec 0 5 m L efficacit de cette correction est montr e en Fig 10 droite obtenue au moyen du code d optique MAD du CERN 43 dans le cas d un croisement dans le plan vertical l IP5 emplacement du d tecteur CMS on constate que la dispersion perturbative p riodique est bien nulle au del des correcteurs dispos s de part et d autre de la section droite longue la situation initiale tait analogue la courbe dx de la Fig 10 gauche 3 4 4 Champs de fuite et d fauts multip laires dans le LHC Au moyen du code de trac de trajectoires Zgoubi 44 j ai r alis des tudes pionni res concernant les effets des non lin arit s introduites par les champs de fuite des dip les et quadrup les sur les param tres du LHC nombres d onde chromaticit etc 45 et innov en utilisant cette m thode de trac de trajectoires pas pas pour tudier les effets de d fauts multip laires dans les quadrup les faible 8 sur louverture dynamique 46 Ces questions sont abord es depuis dans d autres quipes 47 en particulier pour ce qui concerne la qualit du champ des quadrupoles faible G car ceux ci d une part repr sentent un investissement extr mement lourd d autre part n cessitent des qualit s exceptionnelles de par leur position dans la structu
76. ml 12 Gette exp rience sur web http polhp5 in2p3 fr 8000 grpexp 40 d crit le mouvement d une particule de charge q de masse m et de vitesse dans les champs lectrique et ee e b On peut en simplifier l criture en introduisant les quantit s A sf ds vdt mi mvt q Bp et en notant di ds ce qui conduit la forme plus ais ment manipulable SI Bp Bp axb 3 7 2 Dans Zgoubi cette quation diff rentielle est r solue num riquement pas pas de la fa on suivante Etant donn es la position la vitesse normalis e et la rigidit Bp celle ci change en pr sence de champ lectrique au point Mo la position la vitesse et la rigidit au point M apr s un d placement As typiquement de l ordre du centim tre beaucoup plus dans des champs variant peu en fonction de s Fig 16 s en d duisent par les d veloppements en s ries de Taylor tronqu es S As As R M R Mo Mo As amp Mo ES Pea AT A o of ET As HII Ae As Bp Mi Bp Mo Bp Mo As Bp Mo 7 Les quantit s entrant dans la d termination num rique de ces s ries de Taylor se Po de la fa on suivante Par diff rentiations successives de Eq 3 7 2 on obtient les d riv es Ain e fonction des Gin n b et Bp et cette derni re est obtenue par diff rentiations ah n alternativement de Bp i et 1 SEN E Ber Enfin les d riv es H 1 P Basen
77. n unique aimant dip laire se trouve modul sinuso dalement lorsque l on observe une paire de tels aimants juxtapos s La r gion spectrale observ e au LEP le domaine visible se trouve pr s des fr quences spectrales nulles o le spectre est fortement amorti un facteur 100 environ par cette modulation De fa on formelle on interpr te cela comme suit 9 La double impulsion lectrique s crit E t t T 2 amp t T 2 3 2 8 o Z t est l impulsion due un unique dip le T d 1 77 K 2 2y c est Pintervalle entre les deux impulsions d est la distance entre les deux dip les est la composante verticale de l angle d observation Fig 3 K ay avec a d viation dans le dip le Le carr de la transform e de Fourier de E t qui est homog ne la densit spectrale angulaire Eq 3 2 7 s crit En prenant y 0 l il de l observateur est dans le plan de d viation de la particule y 10 lectron de 45 GeV p rayon de courbure 1000 m on obtient Te amp 2 107 s pour une dur e totale d impulsion D LATE ae L 27 c 1 a 77 12 10 re avec un aimant de longueur L 1 m Pour un chantillonnage de 100 points dans l intervalle re le rapport la dur e totale atteint 1077 16 T E w 4sin ew 3 2 9 o w d crit la densit d nergie due un unique dip le Un calcul approch de sin wT 2 montre que l amortissement d la modulation
78. nception des installations nouvelles comme par exemple au LEP 11 ou au LHC 20 et font aussi l objet d enseignements concernant les m thodes de diagnostic dans les acc l rateurs circulaires 21 J ai en parall le ces travaux de th se men une tude sur l effet Compton au SPS 22 sujet analogue au rayonnement synchrotron onduleur Finalement j ai poursuivi bien au del de 1981 cette collaboration en particulier par des tudes et exp riences sur le rayonnement synchrotron faible i e dans un champ magn tique faible et les interf rences entre sources de rayonnement synchrotron 8 travaux dont il s av ra que je devais tirer profit quelques ann es plus tard dans un probl me de diag nostic par rayonnement synchrotron au LEP Section 3 2 3 et pris en compte de nouveau aujourd hui pour la conception du diagnostic par rayonnement synchrotron l injection dans le LHC19 20 Dans le LHC 24 le rayonnement synchrotron mis l nergie d injection 450 GeV pr sente des caract ristiques tr s proches de celui mis dans le SPS qui sera son injecteur 13 A 4 a D a ot CA si i ef ro FLE i ef RE Ne 7 ee Oe vey See E we iT Ce Sie E r Ce p j e 7 Dee ma e e Kap J L BE BZ Cf ant Lef Ba L TR pe TE ZS et Si 4 E D Po a EES CN Ca Wen Be ebe ET en e n Fee E iy ww Ben awe Den WK Fe Ge Se gw Figure 3 Syst me de r f rence dans le
79. ned spin tracking and raytracing of charged particles CEA LNS GT 91 05 1991 NIM A313 1992 492 500 46 F MEOT Generalization of the ZGOUBI method for raytracing to include electric fields CEA LNS GT 93 09 1993 NIM A340 1994 594 49 A MOALEM F MEOT A feasibility study of toroidal magnets for 7 meson rare decays into charged particles CEA LNS GT 94 05 NIM A355 1995 268 277 56 F MEOT On the fic of fringe fields in the LHC ring CEA DSM LNS GECA GT 95 06 1995 Proc Workshop on Single particle effects in Large Hadron Colliders Montreux Switzerland 15 21 oct 1995 Particle Accel erators Vol 52 1996 58 F MEOT T ANIEL Principles of the non linear tuning of beam expanders CEA DSM LNS GECA GT 95 10 1995 NIM A 379 1996 196 205 76 F MEOT A theory of low frequency far field synchrotron radiation Rapport CEA DSM DAPNIA SEA 98 05 f vrier 1998 Submitted for publication in Particle Accelerators Feb 1998 2 2 Conf rences et workshops 3 R BOSSART et als Proton beam profile monitor using synchrotron light Proc Int Conf Accel CERN 1980 i 17 M BELAKHOVSKI et F M OT La lithographie par rayons X CEA CENG LETI MSC 1506 1985 S minaire SFP CEA Grenoble 1985 19 B DAL ZOTTO H DUGOURD M LERME F M OT Advances in proximity effects measurement and correction in electron beam lithography Proc 3rd M E Intern Conference Rotterdam 1985 105 112 33 F M OT Third order tuning o
80. nneur LHC du CERN Rapport de stage The LHC project error effects inside the low 6 magnets Note FERMILAB BD Phys July 1997 et Publi 68 p 8 Encadrement de th ses DEA Post Doc 10 1984 07 1986 Responsable de Th se de Herv Dugourd Ing nieur ENSIEG INP Grenoble Lieu Commissariat l Energie Atomique Laboratoire d Electronique et de Tech nologie de l Informatique Groupe Micro lectronique semi conducteurs Grenoble Sujet Simulation de l interaction lectrons mati re par m thode de Monte Carlo Application aux effets de proximit en microlithographie par faisceau d lectrons Publis 15 p 7 et 19 p 6 09 1987 06 1989 Accompagnement des travaux de Th se de Philippe Audy Ing nieur ECAM en particulier en mati re de d veloppement de code d optique corpusculaire Respon sables de th se A Tkatchenko et G Leleux CEA IRF LNS Groupe Th orie Saclay Lieu CEA IRF LNS Groupe Th orie Saclay Sujet Le mouvement transverse dans un acc l ra teur affect de non lin arit s hexap laires Application au probl me de l ouverture dynamique Th se soutenue le 15 juin 1989 Univ Paris sud Centre d Orsay 06 1988 09 1989 Co encadrement avec N Willis IPN Orsay des travaux de W R sch Post Doc l IPN Orsay Lieu Commissariat l Energie Atomique Institut de Recherche Fondamentale Laboratoire National SATURNE Sujet traitement des cartes de champ mag n tique mesur es du spectrom tre SPE
81. ns les wl sont obtenus par d rivation de by b Enfin les v b et leurs d riv es l ordre n sont des grandeurs connues puisque sous produits du calcul de trajectoire de la particule de Mo M Section 3 7 1 3 5 2 Application au transport de spin dans SATURNE La Fig 12 gauche donne l volution de la composante verticale S du spin au cours de la travers e de la r sonnance d polarisante yG 7 v dans le synchrotron SATURNE Dans cette simulation 31 le nombre d onde vertical est v 3 611 ce qui compte tenu de G 1 7928 situe la r sonance a nergie de 2 016 GeV Les courbes A et B illustrent le comportement asymptotique de S tel que donn par la formule de Froissard et Stora 50 avec laquelle l accord est parfait La courbe C montre le mouvement de la composante de spin S d une particule anim e d un mouvement synchrotron dans ce cas l oscillation synchrotron autour du moment central provoque une travers e multiple de la r sonance et le r sultat est impr dictible analytiquement La Fig 12 droite montre la travers e d une paire de r sonances voisines yG v suivie de yG 8 vz seule la simulation num rique est dans ce cas encore capable de pr dire Ja dynamique 3 5 3 Theme porteur Le transport de faisceaux polaris s haute nergie reste un th me porteur de sujets de recherche Les m thodes de tune jump et de serpent sib rien sont prometteuses mais
82. ns un acc l rateur 50 Le serpent sib rien est dit partiel si la rotation est une fraction de 180 degr s Cette exp rience aurait t une premi re Elle n a pas t r alis e faute de cr dits co t 1 MF environ et la primeur est revenue au Brookhaven National Laboratory qui a install un serpent sib rien sol no dal partiel sur l acc l rateur AGS 51 sur la base des premiers r sultats obtenus basse nergie sur l anneau de refroidissement de IUCF Indiana USA d s 1989 52 On dit que deux r sonances d polarisantes sont non isol es si la distance qui les s pare e l cart en nergie du point de vue de la particule acc l r e est plus petite que la distance n cessaire pour que la polarisation atteigne la valeur asymptotique correspondant au franchissement d une unique r sonance 50 30 L z dei 6 TA Ts B LE KS Ka T A WA K i ZC GC S 5 Fr AS aon ths 7 bh Se ZS 204 AIS Se K Mos Ais L ZS Gi CA de A Ge Ki F Wa Pea g Ki ER a ELS YS S T ds ONY OOO o KO A nee Ce 2 wr a A re rs n pty ay r 0 ti i i a LA 4 e d Satz ECH V SC EE LA 32 CE H Ae cu CH CT tue ey e ay SA C VA 4 Ke TURN NUMBER V e A i SEE ET TOURN E ee VERS NOT GRR ENV ON LE i 540 1000 1500 2000 soo 2000 Figure 12 Figure de gauche volution de la composante verticale S du spin d un proton lors de la travers e d une r sonance d polarisante forte A ou faible B
83. ns un c ne C Ouverte Dp pig Ve es Sk an V2 En outre les quatre pics de la composante m Fig 6 droite sont dans les directions Crean 2 yV 3 repek 2 yV 3 Un int r t de ce dispositif est dans le gain en brillance environ 140 par rapport au rayonnement synchrotron mis dans le corps d un dip le long et 4 par rapport au rayonnement par effet de bord Fig 5 Le confinement angulaire de valeur rms V2 est aussi sup rieur celui du rayonnement de bord de valeur rms ywoT 14 3 2 6 Th mes porteurs On peut imaginer les prolongements suivants donn s parmi d autres titre d illustration ces tudes Rayonnement synchrotron infrarouge La demande en mati re de rayonnement synchrotron est insatiable aujourd hui Les sujets d tudes concernant la nature m me du rayonnement par exemple la question de la coh rence temporelle cf 25 sont innombrables Le cas du rayonnement synchrotron infrarouge est un autre exemple de sujet montant La demande est relativement r cente justifi e aussi par les qualit s de brillance du rayonnement synchrotron et motive de nombreuses tudes th oriques et exp rimentales cf les exp riences au moyen de installation SIRLOIN sur l anneau Super ACO de LURE Orsay 26 Diagnostic au LHC Le diagnostic des faisceaux de protons du LHC utilisera entre autres moyens le rayonnement syn chrotron 20 Le probl me se situe l nergie d injection o l
84. ombiner for 15 30 GeV electron accelerator CEA LNS GT ME 92 08 CEA Saclay 1992 J Doornbos Conceptual design of 15 GeV spectrometer for future european electron accelerator CEA LNS GT ME 92 10 CEA Saclay 1992 GANIL sur web http ganinfo in2p3 fr Laboratoire SOLEIL mixte CEA CNRS 91 Gif sur Yvette F M ot T Aniel On beam uniformization by non linear optics Proc 2nd Int Wrkshp on Beam Dynamics and Optimization St Petersburg Russia 4 8 Aug 1995 F M ot and T Aniel Principles of the non linear tuning of beam expanders NIM A379 1996 196 205 F M ot and T Aniel Non linear tuning and halo transport in beam expanders Proc EPAC96 Conf Sitges Spain 1996 et rapport CEA LNS GT 6 05 CEA Saclay 1996 F M ot Sch ma de ligne haute nergie et syst me d expansion de faisceau pour Trispal Rapport CEA DSM LNS GECA GT 95 07 CEA Saclay 1995 F M ot Generalization of the Zgoubi method for ray tracing to include electric fields NIM A340 1994 594 604 and Saturne report LNS GT 93 09 CEA Saclay 1993 F M ot et A Tkatchenko Premiers r sultats de l tude du transport de faisceau de la microsonde du Laboratoire Pierre Sue Rapport CEA LNS GT 93 04 1993 Voir p ex Les 1001 usages de la microsonde nucl aire in CEA Saclay Le Journal n 1 sept 1997 pp 6 7 P H A Mutsaers Design and realisation of the Eindhoven scanning proton microprobe PhD Thesis of the Techn Univ Eind
85. on Laboratory For Europe Accelerator Technical Proposal Published by CNRS IN2P3 ISN Grenoble France 1994 48 F MEOT Synchrotron radiation interferences at the LEP miniwiggler CERN SL 94 22 AP 1994 51l F M OT T TORTSCHANOFF Combined function focusing combined function superconducting dipole for Large Hadron Colliders CERN SL Note 94 97 AP 1994 52 X LUO F MEOT and W SCANDALE The LHC lattice version 3 CERN SL 94 98 AP 1994 53 A GARREN X LUO F MEOT and W SCANDALE The LHC lattice version 4 CERN SL 95 06 AP 1995 57 F MEOT Sch ma de ligne haute nergie et syst me d expansion de faisceau pour TRISPAL CEA DSM LNS GT 95 07 1995 62 F MEOT Expander de faisceau de TRISPAL variantes d empreintes 4 la cible confinement du halo calcul des ouvertures optiques CEA DSM LNS GT 96 04 1996 63 F MEOT et P HARDY Caract ristiques techniques de la ligne haute nergie de TRISPAL CEA DSM LNS GT 96 06 1996 64 F MEOT Halo transport and non linear envelopes in beam expanders CEA DSM LNS GT 96 05 1996 66 F MEOT Crossing angle induced dispersion in LHC FNAL Report FERMILAB TM 2001 June 1997 68 F MEOT and A PARIS Concerning effects of fringe fields and longitudinal distribution of bio in LHC low 8 regions FNAL Report FERMILAB TM 2017 Aug 1997 69 F MEOT On the effects of fringe fields in the Recycler ring FNAL Report FERMILAB TM 2016 Aug 1997 70 F MEOT and S V
86. onnement Cette information innovante est de toute premi re utilit lorsque l intensit du faisceau transport est lev e ce qui est le cas dans l application au retraitement des d chets nucl aires 75 et autres programmes 67 l tude au Commissariat l Energie Atomique Par volumineux J entends des sujets repr sentant quelques mois plusieurs ann es de travail pour une quipe de plusieurs personnes 82Sur web http ganinfo in2p3 fr Qui poss de sa propre version des logiciels aff rents d velopp s au LNS 72 33 Figure 13 Figure de gauche assemblage optique typique d un syst me d expansion de faisceau et enveloppes lin aires 1 et non lin aires 3 5 qui en r sultent l uniformisation la cible est assur e par les multip les OH et OV Figure de droite section transverse du faisceau uniformis la cible Uniformisation transverse On consid re une ligne optique telle que sch matis e en Fig 13 gauche constitu e d une s rie de lentilles quadrup laires qui ont pour but de cr er une image de dimensions arbitraires sur une cible situ e l extr mit droite de la ligne et de deux lentilles non lin aires not es OH et OV qui sont dispos es de mani re agir ind pendamment l une de l autre sur la distribution des particules dans les deux plans transverses horizontal indice x et vertical indice z de fa on obtenir une densit transverse uniforme sur la
87. otons et antiprotons que l on en tire par traitement d image sont sch matis s en Fig 2 tudes th oriques sur la formation d image et la diffraction 5 Nous avons accompli une tude originale sur les effets de profondeur de champ les sources de ray onnement synchrotron sont en g n ral de longueur non n gligeable et de diffraction le faisceau de rayonnement synchrotron est auto collimat en formation d image au moyen du rayonnement syn chrotron pour les principaux types de sources rencontr es dans les anneaux de stockage dip le de courbure onduleur et aimant court incluant l effet de bord Mentionnons le r sultat relatif mon sujet de th se l expression analytique de l image d un point dans l approximation de Fraunhofer pour le rayonnement onduleur 27 Fr sin 2u J2 vov 27 Foo Jo vov v2 cos 2u J2 vov 3 2 1 ou Fr F correspondent aux composantes de polarisation respectivement orthogonale et parall le au plan de mouvement de la particule Jo Jz sont des fonctions de Bessel u v sont homog nes a l angle de vis e et vo 4 1 ces distributions sont proches par leur forme de la fonction de diffraction d une fente circulaire Ces r sultats analytiques ont permis de chiffrer avec pr cision la limite de r solution de la m thode de diagnostic des faisceaux de protons et antiprotons par rayonnement synchrotron sous effet de la diffraction Ils restent utilis s dans la co
88. pire des cas Il s ensuit que le faisceau voit une perturbation magn tique dip laire dont le champ vaut B Gxr G est le gradient de champ transverse du quadrup le cette perturbation a pour effet d exciter une dispersion perturbative dont on montre que l amplitude dy s fonction de l azimuth s le long de la machine est solution de l quation de Hill coefficient p riodique K s perturb e d d ds K s dy AB s Bpo K s yeo 3 4 1 Dans cette quation K s est la force des lentilles de focalisation de l acc l rateur Yeo est l excursion du centre du faisceau due au croisement dans les quadrup les faible invoqu s plus haut AB s est le terme de champ dip laire d aux dip les assurant la g om trie de croisement ces dip les sont en principe situ s proximit et de part et d autre de la zone o les deux faisceaux partagent une chambre commune et Bp est la rigidit des particules Cette quation est valable aussi bien pour un croisement dans le plan horizontal y x ou dans le plan vertical y z Cette quation se r soud dans l approximation dite des kicks l mentaires tout quadrup le contribuant d est coup en une suite de lentilles minces K s yco s f K s yeo s s s ds gt KL g eo 8q qui conduit la solution p riodique de p riode le tour Fig 10 gauche 3 4 2 o s 1 v f ds B phase b tatron normalis e s phase au ki
89. pole SR calculated dW_sigma domgadPhidPsi Norm dW_pl domgadPhidPsi Nom 30 35 25 3 20 25 Du WW 15 AW RASS ae SR 1 5 SN 10 Ss ms Lee N i SH Gees 1 d SL J A 5 an SE SEA ae r Ki DON ANESEC Kass Se OR e i HA gt ee Sai SS Vi gas ae WSA Ss E EE 05 D Jh Ss EE SE SEA S wi 4 4 a 3 gamma Psi gamma Psl gamma Phi gamma Phi slk Figure 6 Densit d W dwd ddy issue d un dip le de d viation 2 7 Les graphes sont normalis s comme en Fig 5 pour mettre en vidence le gain obtenu Fig de gauche composante o du rayonnement Fig de droite composante r 18 3 2 5 Rayonnement synchrotron infrarouge et micro onde Les propri t s d crites ci dessus on trouv application dans un syst me de production de rayonnement synchrotron infrarouge haute brillance qui a fait l objet d un d p t de brevet 17 L tude des Eqs 3 2 11 montre que la composante de la densit d nergie est maximis e la composante m est moins sensible cette optimisation si ywoT 1 c est dire si le dip le assure une d viation gale 2 7 ou encore si son int grale de champ v rifie f B dl 1 300 T m pour des lectrons La densit d nergie se simplifie alors en 9 242 D2 2 aoe ae ik di ia d 3 2 12 1 aay 7292 y2 2 yo yp mec 4 1 202 7262 yy Le calcul des valeurs rms des variables et d montre que le rayonnement est confin da
90. r celles recens es en Section 2 pp 6 8 dont nombre sont jointes en Annexe ce document ainsi que sur moult autres r f rences l ensemble list pp 51 55 En forme de conclusion chacun des grands th mes abord s dans ce document je m attache montrer comment les recherches pr sent es ouvrent la voie des domaines ou des prolongements susceptibles de donner mati re tudes L expos est conclu par un bref rappel des perspectives actuelles en mati re de grands instruments pour la physique des hautes nergies source in puisable de th ses post doc et autres stages de recherche 10 3 2 Rayonnement synchrotron Mes premi res armes dans le domaine des acc l rateurs circulaires remontent ma th se au CERN en 1979 81 et concernent le diagnostic par rayonnement onduleur 1 5 dans le collisionneur SppS Te 7 Section 3 2 1 travaux que j ai poursuivis au del de 1981 par des recherches sur les propri t s particuli res de ce type de rayonnement 8 J ai depuis apport plusieurs innovations dans le domaine du rayonnement synchrotron comme par exemple le d veloppement d outils de calcul num rique Section 3 2 2 qui ont accompagn la mise en vidence et l interpr tation th orique d interf rences entre dip les courts 9 10 dans l installation de diagnostic par rayonnement synchrotron du LEP 11 ainsi que r sum en Section 3 2 3 ce sujet m a amen co encadrer un stage de
91. rayons X CEA LETI MSC 1506 1985 S minaire SFP CEA Grenoble 1985 31 la 32 B Dal zotto H Dugourd M Lerme F M ot Simulation de l interaction lectrons mati re par m thode de Monte Carlo CEA CENG LETI MSC 1491 1985 B Dal zotto H Dugourd M Lerme F M ot Advances in proximity effects measurement and correction in electron beam lithography Proc M E Intern Conference Rotterdam 105 112 1985 33 F M ot Compensation des effets de proximit en lithographie lectronique par exposition compl mentaire aux U V Demande de Brevet Europ en par BREVATOME d p t INPI Num EN8600939 01 1986 34 F M ot Proc d de microlithographie optique par contact Demande de Brevet Europ en BREVATOME d p t INPI Num EN8601705 02 1986 35 F M ot et als Masquage lectronique premiers niveaux M O S denses en 0 2 um Compte rendu de mission Philips Eindhoven 24 27 mars 1986 36 F M ot et M Belakhovski Les diff rentes sources de lumi re synchrotron CEA LETI MSC 1453 1983 37 T Aniel J M Filhol F M ot et J Payet Commandes et contr les de MIMAS Bulletin Interne de SATURNE Num 12 CEA IRF LNS 1987 38 P Audy Le mouvement transverse dans un acc l rateur affect de non lin arit s hexap laires Application au probl me de l ouverture dynamique th se Universit de Paris Sud Orsay 15 juin 1989 39 X Luo F M ot and W Scandale The LHC lattice ver
92. re classiques champ de 1 Tesla donnant une machine de diam tre 5 m environ pour une douzaine de ligne de RX ou bien supraconducteurs champ de 5 Tesla machine compacte de diam tre environ 1 m J ai men simultan ment une tude concernant un proc d de mesures automatiques dans le domaine submicronique des dimensions des motifs et de la qualit de l alignement des masques d insolation proc d bas sur l utilisation de verniers lectriques t moins destin s tre lithographi s sur les plaques de silicium en m me temps que le circuit int gr 30 Le LETI a d cid vers 1984 d abandonner ces activit s de litho X je me suis alors orient vers un autre sujet riche lui aussi d interrogations cette poque la microlithographie par faisceau d lectrons 3 3 2 Les effets de proximit en microlithographie par faisceau d lectrons Les effets de proximit proviennent de la diffusion des lectrons dans la r sine lectro sensible cette diffusion a pour cons quence que les profils de r sine apres gravure chimique ne sont pas parfaitement verticaux mais pr sentent au contraire une inclinaison non n gligeable par rapport aux dimensions de motif recherch es inf rieures au micro m tre Le r sultat en est que deux motifs voisins se voient et au pire se recouvrent suffisamment pour en r alit ne pas tre r solus au point de n en former qu un seul la suite de l tape de gravure chim
93. re optique du LHC au voisinage imm diat des points de collision des faisceaux de protons 28 0 0004 0 0003 0 0002 0 0001 Fi 0002 0002 7 00015 0001 0 5 0 0 9 0001 0 00015 0 5 E 4 E 4 Figure 11 Mouvement dans l espace des phases vertical au point d interaction 5 du LHC la limite de stabilit en pr sence d un d faut 619 dans les quadrup les faible B ainsi que d angles de croisement de 028 mrad total inclin s 45 deg aux points d interaction 1 et 5 La particule a t lanc e pour 1000 tours avec les coordonn es initiales x x y 0 et y 11 00 La simulation de ces d fauts de champ multip laires utilise le mod le d crit en Section Oise page 41 Eq 3 7 4 Cette technique d investigation est innovante en ce que le trac de trajectoire pas a pas n avait jamais t envisag auparavant pour ce type d tude car consid r comme trop lent Cet argument a peu peu perdu de sa valeur avec augmentation de vitesse des calculateurs En revanche la m thode pr sente un atout de poids elle permet de simuler avec autant de pr cision qu on le d sir les champs pr sents ainsi que leurs d fauts contrairement aux m thodes dites de mapping en usage Autrement dit le trac de trajectoire offre une technique de contr le a posteriori probablement in gal e Une fa on de proc der consiste tracer les trajectoires d un chantillon d termin de particules dont ensui
94. rticle Accelerators Vol 52 1996 46 F M ot and A Paris Concerning effects of fringe fields and longitudinal distribution of bio in LHC low regions FNAL Report FERMILAB TM 2017 Aug 1997 47 M Venturini and Alex Dragt Computation of exact transfer maps from magnetic field data Proc CPO5 Conf Delft The Netherlands April 1998 W Wan C Johnstone J Holt M Berz K Marino M Lindemann The influence of fringe fields on particle dynamics in the Large Hadron Collider Proc CPO5 Conf Delft The Netherlands April 1998 A Faus Golfe and A Verdier Dynamic aperture limitations of the LHC in physics conditions due to low B insertions Proc EPAC Conf 1996 A Faus Golfe and A Verdier Multipole compensation in the LHC low insertions LHC Project Report 116 CERN 9 June 1997 Proc PAC Conf Vancouver 1997 48 ls 49 Y S Derbenev and A N Kondratenko Proc 10th Int Conf on High Energy Accelerators Serpukhov USSR vol 2 1997 p 70 AIP Proc n 187 8th Int Symp on High Energy Spin Physics 1988 Min neapolis USA vol 2 50 M Froissart et R Stora D polarisation d un faisceau de protons polaris s dans un synchrotron NIM 7 1960 297 305 51 L G Ratner Siberian snake for the AGS Proc PAC Conf San Francisco CA 1991 52 A D Krisch et als Phys Rev Lett 63 1989 1137 J E Goodwin et als Phys Rev Lett 64 23 1990 2779 53 V Bargmann L Michel V L
95. s circulaires transport des fonctions b tatron calculs de chromaticit de variation des nombres d onde de la machine en fonction de la dispersion en moment ou de l amplitude transverse du mouvement etc sachant que d une part les diverses applications 45 46 87 91 ont montr l int r t de la m thode d int gration num rique pas pas pour certaines tudes fines des effets de d fauts de champs par exemple et que d autre part Zgoubi est un bon candidat aux tudes d ouverture dynamique par exemple dans le LHC Zgoubi pr sente un int r t particulier du point de vue de la pr cision de la m thode d int gration l ordre de troncature des d veloppements en s rie donnant le champ en un point quelconque de l espace X Y Z Eq 3 7 4 ainsi que l ordre de troncature des s ries de Taylor donnant le mou vement Eq 3 7 3 peut tre rendu arbitrairement grand La pr cision de l int gration au moyen de ces derni res peut de m me tre rendue aussi grande que l on veut en diminuant le pas d int gration As avec toutefois une limite inf rieure donn e par la troncature du calculateur limite repouss e tr s loin si l on travaille en double voire en quadruple pr cision Les r cents travaux dans le domaine du trac de trajectoires et en particulier son application aux d fauts des quadrup les fort gradient e g ceux des points de collision du LHC 47 92 par exemple sont un bon indicateur de l int
96. sion 3 CERN SL 94 98 AP 1994 A Garren X Luo F M ot and W Scandale The LHC lattice version 4 CERN SL 95 06 AP 1995 W Scandale et als The lattice of the CERN Large Hadron Collider Proc PAC ICHEA conf 1 5 May 1995 Dallas Texas USA 52 40 E D Courant and H S Snyder Theory of the alternating gradient synchrotron Ann of Phys vol 3 pp 1 48 1958 41 F M ot T Tortschanoff Combined function focusing combined function superconducting dipole for Large Hadron Colliders CERN SL Note 94 97 AP 1994 42 F M ot Crossing angle induced dispersion in LHC FNAL Report FERMILAB TM 2001 June 1997 Correction of vertical crossing induced dispersion in LHC CEA DSM DAPNIA SEA 97 15 Nov 1997 FNAL Report FERMILAB TM 2020 Nov 1997 LHC Note 122 CERN Dec 1997 Perturbation of the Periodic Dispersion Under Beam Crossing Optics in LHC FNAL Report FERMILAB Conf 97 156 1997 Proc PAC 97 Conf Vancouver BC Canada 1997 43 H Grote F C Iselin The MAD program User s Reference Manual CERN SL 90 13 AP CERN 19 Jan 1995 44 F M ot and S Val ro Zgoubi users guide Rapport DSM DAPNIA SEA 97 13 CEA Saclay d c 1997 et FERMILAB TM 2010 Fermilab Batavia IL USA Dec 1997 45 F M ot On the effects of fringe fields in the LHC ring CEA DSM LNS GECA GT 95 06 1995 Proc Workshop on Single particle effects in Large Hadron Colliders Montreux Switzerland 15 21 oct 1995 Pa
97. te l on tire les param tres de la machine tels que les nombres d onde la chromaticit les amplitudes b tatron la dispersion etc ainsi qu ventuellement la variation de ces param tres en fonction de l invariant sur lequel se trouve la particule ou de son cart en moment etc La Fig 11 montre un sp cimen de transport multitour quelques centaines dans le LHC r gl en mode d optique de collision r 0 5 m aux points d interaction 1 ATLAS et 5 CMS en pr sence d un d faut 20 p laire dans les quadrup les des deux r gions faible G Cette exp rience num rique avait pour but de contr ler la limite de stabilit I ouverture dynamique 1000 tours ainsi que l volution de certains param tres comme les nombres d onde au voisinage de cette limite entre autres pour comparaisons avec des r sultats de m thodes plus classiques 48 29 3 5 Transport de protons polaris s La conception d acc l rateurs s accompagne de nombreux problemes annexes comme par exemple le transport de faisceaux polaris s Cette question a occup une partie de notre quipe du Groupe Th orie du LNS pendant environ deux ann es 1991 1992 L objectif tait d tudier l installation d un serpent sib rien partiel dans le synchrotron SATURNE dans le but d en tester le principe haute nergie La m thode de calcul num rique pr sent e ici Section 3 5 1 a t d velopp e dans ce con te
98. ublet impulsionnel de rayonnement synchrotron d une paire de dip les Fig de gauche Le spectre interf rentiel qui en r sulte Fig de droite est affect d une forte perte d intensit au voisinage du z ro l o le spectre d un unique dip le l enveloppe des oscillations serait au contraire maximal pr sente toujours 7 7 et qui est atteinte lorsque 1 20 B t 1 27 alors que le temps int gr SON Ar la dur e totale de l observation est de plusieurs ordres de grandeur sup rieur Il en r sulte que l on ne peut pas utiliser pour calculer la transform e de Fourier une relation telle que An Shep ATk An AT qui est susceptible d autant plus que y est grand de conduire une suite de valeurs Ar 0 dans la r gion du pic de rayonnement il faut stocker Ar chaque pas de trajectoire n pour se pr munir contre cet effet de pr cision de calculateur 3 2 3 Diagnostic au collisionneur LEP Ph nom nes d interf rences La m thode de calcul qui pr c de a permis de mettre en vidence et d interpr ter un ph nom ne d interf rences dans l exp rience de diagnostic des faisceaux et e au LEP DI 12 interf rences responsables d une perte d intensit d un facteur 100 environ 9 10 Ces investigations ont r cemment fait l objet de d veloppements analytiques abord s en Section 3 2 4 Le ph nom ne est bien r sum en Fig 4 qui montre comment le spectre de rayonnement d u
99. ue il suffit de faire subir aux B X Y Z et d riv es ainsi obtenues une rotation de x 2n pour obtenir le champ de la lentille droite La superposition lin aire des champs magn tostatique et lectrostatique ainsi obtenus donne le champ idem pour les d riv es du champ dans une lentille combin e comme par exemple dans le cas des quadrup les achromatiques au second ordre tels que mentionn s en Section 3 6 2 page 36 et en Fig 15 L abondance des donn es n cessaire la d finition de la lentille du point de vue du code Zgoubi telles que reproduites ci apr s donne un aper u de sa complexit defini l entr e ou la sortie de la lentille par G s avec Go SH s tant la EBMULT 0 10 2 10 0 9272 986 0 0 0 0 0 0 0 O Champs des composantes electriques E1 E20 D Os O O Os Os Ba 04 O 0 0 Champ de fuite d entree 6 1122 6 2671 1 4982 3 5882 2 1209 1 723 idem O Os O Os E Os Os Us On Ox 0 Champ de fuite de sortie 6 1122 6 2671 1 4982 3 5882 2 1209 1 723 idem Os QG 0 0 Ox O0 0 DO Ue 0 10 2 10 0 1 89493 0 0 0 0 0 0 O O Champs des composantes magnetiques B1 B20 0 0 0 0 0 Or 0 0 0 D Champ de fuite d entree 6 1122 6 2671 1 4982 3 5882 2 1209 1 723 idem Os 0 Os Oe Os Oe Os Us Our 0 Champ de fuite de sortie 6 1122 6 2671 1 4982 3 5882 2 1209 1 723 idem Ow Oo Os Oo Os O O Oa Ou Oa Defauts de rotation des multipoles 8 Pas d integration
100. urad La dispersion D due aux dip les des arcs est ainsi modul e en amplitude courbe D dz sous l effet de la perturbation d Figure de droite Dispersion verticale r siduelle dans l Octant 5 apr s compensation de langle de croisement 2z 210 4 rad l IP5 G3 0 5 m avec quatre paires de quadrup les tourn s plac s aux extr mit s des arcs ACER Sem ane ee cn 27 Mouvement dans l espace des phases vertical au point d interaction 5 du LHC la limite de stabilit en pr sence d un d faut bio dans les quadrup les faible ainsi que d angles de croisement de 028 mrad total inclin s 45 deg aux points d interaction 1 et 5 La particule a t lanc e pour 1000 tours avec les coordonn es initiales x x y 0 et y 11 0o 29 Figure de gauche volution de la composante verticale Sz du spin d un proton lors de la travers e d une r sonance d polarisante forte A ou faible B le cas C est celui d une travers e multiple en pr sence de mouvement synchrotron Figure de droite franchissements successifs de deux r sonances voisines s par es soit A de 8 fois la largeur des r sonances soit B de 2 8 fois seulement 31 Figure de gauche assemblage optique typique d un syst me d expansion de faisceau et en veloppes lin aires 1 et non lin aires 3 5 qui en r sultent l uniformisation la cible est as sur e par les multip les OH
101. xte avec certaines phases d licates tel le probleme de la r solution avec suffisamment de pr cision des quations de Lorentz mouvement des protons et de Thomas BMT mouvement du spin 53 Suffisamment de mati re pour donner lieu a deux stages d tudiants en cole d ing nieur Le premier stage a consist installer dans le code un sol noide simul de fa on tr s pr cise par une m thode d int grales elliptiques 54 il trouve rapidement application dans un probleme de blindage magn tique du sol noide d injection des protons polaris s dans le synchrotron SATURNE 55 Le second stage con cernait la validation de la m thode num rique d int gration de l quation de Thomas BMT Eq 3 5 1 par trac de trajectoires multitour et tude du franchissement des r sonances d polarisantes dans SAT URNE 56 La m thode num rique utilis e pr sente un m rite important et innovant elle permet la prise en compte de tous les types de d fauts que l on rencontre dans les acc l rateurs magn tiques d fauts de champs dans les dip les de courbure de gradient dans les quadrup les de focalisation champs de fuite ou g om triques d fauts de positionnement des aimants Dans le cas des des champs de fuite par exemple le champ magn tique prend des formes complexes non lin aires aux extr mit s des dip les et quadrup les d un acc l rateur il agit par cons quent de fa on complexe sur le dynamique du spin

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