Dissertations / Theses on the topic 'Accélérateurs linéaires à induction'

La radiographie éclair est une technique permettant de caractériser l’état d’un objet dense soumis à des conditions physiques extrêmes, avec des vitesses de déplacement de plusieurs km/s. Dans ces conditions, il est nécessaire d’avoir une source de rayonnement X spécifique : faible dimension (quelques mm), durée brève (inférieure à 100 ns), haute énergie (autour de 20 MeV) et intense (quelques kA). Elle est produite à l’aide du rayonnement de freinage généré par l’interaction d’un faisceau intense et pulsé d’électrons avec une cible de métal de numéro atomique élevé. Ce faisceau est émis par une cathode en velours puis transporté dans un accélérateur linéaire à induction (LIA). La qualité d’une radiographie est majoritairement conditionnée par les caractéristiques physiques de la source X, elles-mêmes intimement liées aux propriétés du faisceau d’électrons. Les travaux menés dans cette thèse visent à modéliser la dynamique du faisceau dans les LIA en intégrant ses caractéristiques physiques dont certaines instabilités dégradant le faisceau. Les modèles développés ont été validés lors de la mise en service de l’accélérateur MCH3 implanté au CEA Valduc sur l'installation Epure.La modélisation de la dynamique du faisceau repose sur le code Particle-In-Cell LSP-Slice et le code de transport EVOLI (EVOLution des Instabilités). Ce dernier a été développé lors de cette thèse et modélise la dimension de l’enveloppe et du barycentre des charges (centroïde) du faisceau ainsi que la propagation « temporelle » du faisceau par le biais d’un découpage de ce dernier en disque.Dans un premier temps, des études ont été menées sur le mouvement du centroïde du faisceau lors de son transport. Dans EVOLI, les équations décrivent le centroïde avec l’influence de la charge d’espace. Une procédure d’optimisation numérique a permis de reproduire par simulation les résultats obtenus dans MCH3 en intégrant l’influence du champ magnétique terrestre et les défauts d’alignement des différents éléments magnétiques (solénoïdes et déviateurs). L’application de cette nouvelle méthode sur d’autres transports permet d’envisager de calculer des consignes des déviateurs afin de pré-centrer le faisceau numériquement. Cette méthode laisse entrevoir un gain de temps significatif lors du centrage expérimental du faisceau nécessitant de nombreux essais.Dans un second temps, la modélisation du faisceau a permis de contribuer à la mise en service de l’accélérateur MCH3 en fin d'année 2022. Un premier transport n’a pas permis de mener la totalité de la charge du faisceau jusqu’à la cible de conversion, bien que les simulations numériques prédisaient un transport nominal basé sur le seul formalisme de l’enveloppe. Les mesures expérimentales ont montré des oscillations importantes du centroïde dues à l’instabilité Beam Break-Up (BBU). Un modèle simplifié du BBU a alors été intégré dans EVOLI. Par l’utilisation de ce modèle numérique, un nouveau transport à champ magnétique fort a été conçu limitant théoriquement d’un facteur 2,5 l’intensité du BBU en sortie de ligne accélératrice. Ce résultat a été vérifié expérimentalement par la réduction significative du BBU d’un facteur 3 permettant de transporter l’intégralité de la charge du faisceau de manière stable et reproductible jusqu’à la cible. Cette stratégie de transport du faisceau à champ magnétique fort admet cependant une limite puisqu’elle exacerbe le mouvement Corkscrew qui augmente avec le champ magnétique tel que montré par le travail initialisé dans cette thèse. L’optimisation du transport est donc un compromis entre le poids des différentes instabilités au sein de l’accélérateur. Les travaux de cette thèse ouvrent des perspectives sur la prise en compte des instabilités afin de concevoir des transports innovants particulièrement dans le cadre de machines multi-impulsion constituant à l'heure actuelle un développement majeur des machines de radiographie éclair
Flash radiography allows characterizing the state of a dense object subjected to extreme physical conditions, with displacement velocities of several kilometres per second. These conditions require a specific X-ray source: small size (a few millimetres), brief duration (less than 100 ns), high energy (around 20 MeV) and high current (a few kA). This source is produced using Bremsstrahlung radiation generated by the interaction of an intense and pulsed electron beam with a high atomic number metal target. A velvet cathode emits the beam and an linear induction accelerator (LIA) transports it. The quality of radiography is mainly conditioned by the physical characteristics of the X-ray source, which are closely linked to the properties of the electron beam. The work carried out in this PhD thesis aims to model the beam dynamics in LIAs by integrating its physical characteristics, including some instabilities which degrade the beam. The developed models were validated during the commissioning of the MCH3 accelerator at CEA Valduc in Epure facility.The modelling of beam dynamics is based on the Particle-In-Cell (PIC) code LSP-Slice and the transport code EVOLI (EVOLution of Instabilities). The latter was developed during this thesis and models the size of the beam envelope and its charge centroid, as well as the "temporal" propagation of the beam by its segmentation into discs.In the first place, studies were conducted on the motion of the beam centroid during its transport. In EVOLI, the equations describe the centroid with the influence of space charge. A numerical optimization procedure allowed the simulation to reproduce the results obtained in MCH3 by incorporating the influence of the Earth's magnetic field and the misalignment of various magnetic elements (solenoids and steerers). The application of this new method to other beam transports makes possible to calculate steerer settings for numerical pre-centering of the beam. This method offers the prospect of significant time savings during the experimental beam centering process, which typically requires numerous shots.Afterward the beam modelling contributed to the commissioning of MCH3 accelerator at the end of 2022. With an initial transport attempt, the entire beam charge did not reach the conversion target, despite numerical simulations predicting nominal transport based on the envelope formalism. Experimental measurements revealed significant centroid oscillations due to the Beam Break-Up (BBU) instability. Then, a simplified BBU model was incorporated into EVOLI. By using this numerical model, a new high magnetic field transport was designed, theoretically limiting BBU intensity at the accelerator end by a factor 2.5. This result was experimentally verified by a BBU reduction by a factor 3, enabling a stable and reproducible transport of the entire beam charge to the target. However, this strong magnetic field transport strategy leads to an increase of the Corkscrew motion, which increases with magnetic field strength as shown in the work initiated in this thesis. Therefore, optimizing beam transport is a compromise between the various instabilities within the accelerator. The work of this thesis opens up prospects for considering instabilities to design innovative transports, particularly in the context of multi-pulse machines, which are currently a major development in flash radiography machines

Le travail de thèse présenté dans ce document consiste en l'étude et en la réalisation d'un faisceau de positons lents (dont l'énergie cinétique va de l' électronvolt au keV) au CEA de Saclay, dans le cadre du projet GBAR. L'objectif de ce projet est de réaliser le premier test direct du Principe d'équivalence Faible sur de l'antimatière en étudiant la chute libre d'atomes d'antihydrogène dans le champ gravitationnel terrestre. Le faisceau de positons présenté ici est alimenté par un petit accélérateur linéaire d'électrons (linac) de quelques MeV. La génération des positons se fait via la création de paires électron/positon par les photons issus du rayonnement de freinage des électrons du linac dans une cible de tungstène. Ce faisceau de test a pour objectif double de démontrer d'une part la faisabilité d'une source de positons alimentée par un petit accélérateur et de permettre d'autre part le développement de deux étapes futures du projet : le piégeage des positons et leur conversion en positronium afin de générer une cible dense pour le faisceau d'antiprotons devant permettre la synthèse de l'antihydrogène. A la fin de la thèse le faisceau de positons est opérationnel et le flux atteint est de 1,7*10^5 positons lents par seconde. Ce flux encore faible gagnera un ordre de grandeur dès la réparation du linac défectueux et un travail d'optimisation est en cours pour augmenter encore ce flux. Le projet GBAR compte se doter d'un accélérateur plus performant afin d'atteindre les 3*10^8 positons lents par seconde requis pour l'expérience et le modérateur actuel en tungstène pourrait être remplacé par une technologie au néon dont le rendement est supérieur

Le projet SPIRAL2, en phase de construction au GANIL à Caen, viendra augmenter les capacités de production et d'accélération de l'actuelle installation SPIRAL. Cette extension consiste en la construction d'une zone de production d'isotopes radioactifs associée à un accélérateur linéaire supraconducteur. Ce dernier permet l'accélération de faisceaux de deutons de 5 mA à 40 MeV ainsi que d'une grande variété d'ions (protons, deutons, ions ayant un rapport charge/masse de 1/3) jusqu'à une énergie de 14. 5 MeV/u et un courant de 1 mA. Le taux de fission visé (~ 1014 fissions/s) ainsi que cette grande polyvalence d'accélération sont rendus possible grâce à l'utilisation de la technologie supraconductrice. L'étude, la conception et l'intégration des modules accélérateurs supraconducteurs de la partie haute énergie ont été effectuées à l'Institut de Physique Nucléaire d'Orsay (IPNO). Le travail de thèse présenté ici s'inscrit dans ce contexte. Dans un premier temps, les cavités accélératrices supraconductrices de type quart-d'onde ont été validées et caractérisées d'un point de vue électromagnétique et mécanique en cryostat de qualification (-269°C). Par la suite, un module accélérateur totalement équipé a été qualifié en configuration dite « machine ». Des études plus spécifiques ont également été menées sur l'effet l00K, les microphonies et la caractérisation du système d'accord en fréquence par plongeur mobile, système novateur pour les cavités supraconductrices. La validation des performances du module accélérateur à travers ce travail de thèse a donné lieu au lancement de la phase de fabrication des cavités accélératrices et des cryomodules
The SPIRAL2 project, in its construction phase at GANIL in Caen, will increase the capabilities of the current existing facility SPIRAL. This upgrade consists in the construction~of a production area of rare radioactive isotopes associated to a superconducting linac. The latter can accelerate a 5 mA deuteron beam up to 40 MeV and can handle a wide variety of ions (protons, deuterons, ions with a charge over mass ratio of 1/3) up to 14. 5 MeV/u at 1 mA. The targeted fission rate (~ 1014 fissions/secondes) and accelerating polyvalence is achieved thanks to the superconducting technology. The study, the conception and integration of the superconducting accelerating modules are in charge of the Nuclear Physics Institute of Orsay (IPNO). The PhD work presented here consisted in first testing and characterising mechanically and electromagnetically the superconducting quarter-wave resonator in a qualifying cryostat (- 269°C). Then, a fully-equipped accelerating module has been tested without beam. More specific studies have been carried out on the Q-disease, on microphonics and on the frequency tuning system with moving plunger, a novel system for superconducting cavities. The validation of the accelerating module performances during the PhD period has lead to the fabrication phase launching of the accelerating cavities and their modules

En utilisant un nouveau type d'instrument: l'ecartometre a fil biaxial ou wire positioning system (wps) et des fils tendus sur 58 m servant de references spatiales, nous proposons une methode de prealignement et de controle actif d'un accelerateur lineaire de particules au stade de projet: le compact linear collider (clic). En effet, l'un des grands challenges de ce projet est le prealignement pour chaque linac de 2780 poutres supportant les cavites acceleratrices et 400 elements magnetiques independants a quelques microns pres les uns des autres. Le premier chapitre, apres avoir introduit le projet du clic presente certains systemes de prealignement et leurs limites. Le second chapitre expose brievement la methode de prealignement proposee, baptisee methode du double fil tendu et les trois types d'instruments utilises conjointement: le wps, le systeme hls (hydrostatic levelling system) et le tms (tilt meter system). Dans le troisieme chapitre est demontree la validite du wps: la stabilite et la reproductibilite des mesures, la possibilite de realiser un etalonnage de l'instrument de l'ordre du micron. Nous avons ensuite verifie dans les deux chapitres suivants que le fil tendu peut constituer une reference spatiale, c'est a dire qu'il est modelisable a quelques microns, a condition qu'il soit geometriquement homogene. Le sixieme chapitre fait le point sur la methode du double fil tendu et propose cinq etapes pour simplifier la compensation des observations. De premiers resultats de simulations concernant l'utilisation de la methode du double fil tendu sont montres. Pour finir, nous montrons comment les instruments decrits seront places dans un environnement reel avec faisceau dans une experience baptisee ctf2

Ce travail est consacré à l'étude des convertisseurs électromécaniques linéaires à induction que l'on peut rencontrer dans la traction ou dans le pompage électromagnétique des métaux liquides. L’adéquation de l'alimentation électrique des convertisseurs linéaires à un effet recherche (pompage, traction ou freinage) est essentielle. Un modèle suffisamment rapide pour se prêter à l'optimisation vis-à-vis de différents critères est développé. La difficulté principale de la modélisation par la méthode des éléments finis réside dans le mouvement de l'induit. Cette difficulté est contournée en introduisant une condition aux limites particulières sur la surface de l'induit (convolution entre le potentiel vecteur et sa dérivée normale), ce qui permet de restreindre les parties numériques de la résolution au domaine fixe. Le modèle est utilisé pour la recherche des alimentations qui optimisent le rendement, la poussée ou bien la force de freinage. On a pu ainsi concevoir des enroulements spécifiques, pour différents modes de fonctionnement et à différentes vitesses, qui autorise un gain appréciable sur le rendement ou sur la poussée ramenée aux pertes joule dans l'inducteur. On a aussi analysé les différents champs de force dans l'induit avant et après optimisation

L’étude de la dynamique d’un faisceau d’ions de haute intensité dans les lignes de basse énergie (LBE)représente l’un des défis majeurs de la science des accélérateurs. basse énergie, cette dynamique est dominée par le champ de charge d’espace induit par le faisceau lui-même, qui en général est non linéaire et peut entrainer des phénomènes de halo, de grossissement d’émittance et de pertes de faisceau. Toutefois, un faisceau à basse énergie se propageant dans une LBE induit l’ionisation du gaz résiduel présent dans la chambre. Les particules (ions et électrons) issues de l’ionisation sont repoussées ou attirées radialement par le champ de charge d’espace en fonction du signe de leur charge. D’autres réactions physiques ont lieu dans la ligne basse énergie, jouant ainsi un rôle dans la dynamique du faisceau et sur l’établissement du temps et du taux de compensation de charge d’espace. Afin d’obtenir des résultats prédictifs et fiables quantitativement, des simulations de transport de faisceau en régime de compensation de charge d’espace avec le code de calcul warp ont été réalisées en prenant également compte les réactions physiques les plus probables. On discutera ensuite des résultats de ces simulations en lien avec ceux issus de différentes compagnes de mesure réalisées auprès des LBE des projets MYRRHA et IFMIF
The study of intense ion beam dynamics in lowenergy beam transport line (LEBT) representsone of the most important challenges inaccelerating sciences. At low energy, it isdominated by the space-charge field created bythe beam itself, which is generally non-linearand can induce halo, emittance growth and beamlosses. But, a ion beam at low energypropagating in a LEBT ionises the residual gas.The particles (ions and electrons) fromionisation are repelled or confined radially bythe space charge field according to their chargesign.Other interactions take place in the LEBT,modifying the beam dynamics and the space chargecompensation time and the space-chargecompensation yield. In order to obtain predictiveand precise results quantitatively, numericalsimulations of beam transport in space-chargecompensation regime with WARP code havebeen realized taking account the most probablephysical interactions. Then, we will discuss theresults with comparisons with experimental dataobtained on the MYRRHA and IFMIF LEBT’s

L'utilisation des accélérateurs linéaires de forte puissance dans différents projets (production de neutrons par spallation, réacteurs hybrides) nous a amené à se pencher sur les problèmes de la dynamique de faisceaux de haute intensité. Dans le cas de faisceaux intenses, les particules sont soumises à des forces non linéaires, principalement dues à l'effet de charge d'espace. Afin de disposer d'outils à la fois moins lourds et plus réalistes que les méthodes classiques de simulation (interaction particule-particule, modèle coeur-particule), la description de l'évolution d'une distribution de particules à partir de ses paramètres statistiques, ses moments, a donc été envisagée. Nous présentons donc dans une première partie une analyse détaillée de la problématique, menée dans un cadre simplifié mais non limitatif : tout d'abord, nous développons un formalisme original basé sur les propriétés fines des polygones orthogonaux permettant l'étude des moments d'une densité en une dimension. De cette analyse, nous voyons que l'on peut extraire, d'un nombre fini de moments, un certain nombre d'informations concernant la densité. En particulier, il en découle la notion fondamentale d'enveloppe convexe définissant le domaine d'existence de cette densité. Ceci permet de mieux comprendre la signification des moments. La généralisation de cette description en deux dimensions permet d'estimer avec une bonne précision où sont localisées les particules dans cet espace des phases. Enfin, nous abordons les difficultés rencontrées au cours de cette étude, fixant ainsi les limites de cette méthode. La deuxième partie de cette thèse, plus expérimentale, présente les mesures de faisceaulogie effectuées sur l'accélérateur GENEPI (GEnérateur de NEutrons Pulsé Intense) dans le cadre de l'étude des systèmes hybrides. Elles permettent, entre autres, la calibration du faisceau et la validation des codes de calculs nécessaires à la conception de la machine.

Nous etudions dans ce travail la capacite du code monte carlo penelope a simuler les faisceaux de photons issus des accelerateurs lineaires d'electrons de type sl (elekta) equipe d'un collimateur multilames pour des rayons x de 6, 18 et 25 mv. Le transport des particules dans la tete d'irradiation a ete separe en deux parties, l'une est relative a la section filtration et l'autre a la section collimation. A la fin de chaque section, les fichiers d'espace des phases contenant toutes les particules et leurs parametres associes, sont stockes. La simulation du transport des particules a travers la premiere partie n'est realisee qu'une seule fois pour chaque energie. Pour la simulation des faisceaux dans la partie collimation, les fichiers d'espaces des phases sont reutilises autant de fois que de dimensions de champ d'irradiation souhaitees. Nous proposons une methode de validation des fichiers d'espaces des phases ainsi generes. Elle se decompose en trois etapes. La validation geometrique consiste a verifier la description des elements modelises. La deuxieme etape concerne la validation de la partie energetique des simulations. La derniere etape constitue la validation des grandeurs dosimetriques determinees a la sortie de l'appareil de traitement (spectre energetique, coefficient d'attenuation lineique ), dans un fantome d'eau (rendements en profondeur et en traversee, facteur de debit de dose) et dans des fantomes heterogenes. La validation dosimetrique s'appuie sur une etude experimentale complete des grandeurs etudiees. Les caracteristiques des faisceaux de photons validees, l'apport du code penelope pour la modelisation des faisceaux de photons est discute. Les donnees stockees a la sortie des tetes d'irradiation sont analysees et utilisees pour etudier quantitativement et qualitativement les faisceaux de photons. Les sources de production de photons diffuses sont identifiees et leur proportion discutee. Les depots de dose engendres par ces faisceaux d'irradiation dans un fantome d'eau sont etudies. Deux aspects sont abordes : les particules de contamination et la separation de la dose primaire, due au rayonnement issu de l'appareil de traitement, et de la dose diffusee par le milieu environnant.

Dans le cadre de l'Approche Elargie pour la Fusion conclue entre le Japon et l'Europe, le projet IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility) a été lancé pour l'étude des futurs matériaux pour la fusion qui devront résister à d'intenses flux de neutrons. Un composant majeur en est son ensemble de deux accélérateurs à très haute puissance (2×5 MW) qui produit le flux de neutrons en bombardant une cible de Lithium avec un faisceau de Deutérium à une énergie de 40 MeV. Vues ces spécifications ambitieuses, une première phase appelée EVEDA (Engineering Validation and Engineering Design Activity) prévoit l'étude et la réalisation d'un accélérateur prototype à l'échelle un jusqu'à 9 MeV au Japon. Le travail de cette thèse concerne le domaine de la Physique des Accélérateurs. Il consiste en des études de dynamique faisceau pour l'accélérateur prototype LIPAc, caractérisé par une intensité et une puissance jamais encore réalisées, exigeant de ce fait des qualités de faisceau exceptionnelles. Les caractéristiques de cet accélérateur, font qu'il requiert de nombreuses études et simulations pour toutes les étapes de sa mise en service. En parallèle, des études de fond sur les interactions coeur-halo et les effets de la charge d'espace dans les accélérateurs intenses, seront aussi menées. En particulier une nouvelle définition du halo d'un faisceau de particules, adaptée à l'étude de ces accélérateurs sera proposée et appliquée
As part of the Broader Approach to Fusion concluded between Japan and Europe, the IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility) project was launched for the study of future fusion materials resisting intense neutron fluxes. A major component of it is the couple of twin high power accelerators (2 × 5 MW) which will produce the neutron flux by bombarding a Lithium target with a deuterium beam at an energy of 40 MeV. Considering these ambitious specifications, a first phase called EVEDA (Engineering Validation and Engineering Design Activity) is ongoing to provide the design and construction of an up to scale prototype accelerator to an energy of 9 MeV in Japan. The work of this thesis belongs to the field of Accelerators Physics. It consists of beam dynamics studies for the prototype accelerator LIPAc, characterized by unprecedented current and power, thereby requiring outstanding beam quality. The characteristics of this accelerator, makes many studies and simulations for all stages of its commissioning required. Concurrently, background studies on core-halo interactions and on the effects of space charge on high current beams will also be conducted. In particular a new definition of the halo of a particle beam, adapted to the study of these accelerators will be proposed and implemented

L'utilisation des accélérateurs linéaires de forte puissance dans différents projets (production de neutrons par spallation, réacteurs hybrides) nous a amené à se pencher sur les problèmes de la dynamique de faisceaux de haute intensité. Dans le cas de faisceaux intenses, les particules sont soumises à des forces non linéaires, principalement dues à l'effet de charge d'espace. Afin de disposer d'outils à la fois moins lourds et plus réalistes que les méthodes classiques de simulation (interaction particule-particule, modèle coeur-particule), la description de l'évolution d'une distribution de particules à partir de ses paramètres statistiques, ses moments, a donc été envisagée. Nous présentons donc dans une première partie une analyse détaillée de la problématique, menée dans un cadre simplifié mais non limitatif : tout d'abord, nous développons un formalisme original basé sur les propriétés fines des polygones orthogonaux permettant l'étude des moments d'une densité en une dimension. De cette analyse, nous voyons que l'on peut extraire, d'un nombre fini de moments, un certain nombre d'informations concernant la densité. En particulier, il en découle la notion fondamentale d'enveloppe convexe définissant le domaine d'existence de cette densité. Ceci permet de mieux comprendre la signification des moments. La généralisation de cette description en deux dimensions permet d'estimer avec une bonne précision où sont localisées les particules dans cet espace des phases. Enfin, nous abordons les difficultés rencontrées au cours de cette étude, fixant ainsi les limites de cette méthode. La deuxième partie de cette thèse, plus expérimentale, présente les mesures de faisceaulogie effectuées sur l'accélérateur GENEPI (GEnérateur de NEutrons Pulsé Intense) dans le cadre de l'étude des systèmes hybrides. Elles permettent, entre autres, la calibration du faisceau et la validation des codes de calculs nécessaires à la conception de la machine
High-power linear accelerators are needed as driver for several projects (spallation neutron sources, hybrid system). This interest brings us to the question of dynamics of high intensity particle beam. Inside intense beam, particles are under non linear forces mainly due to space charge effects. In order to have less heavy and more realistic tools than classical simulation methods (particle-particle interactions, particle-core model), we consider a description of the evolution of a particle density from its statistical parameters, its moments. In a first part, a detailed analysis of the moment problems is shown in a simplified but non restrictive case. To begin with, we develop an original study based on orthogonal polynomial properties which allows us to study one-dimension density moments. We can see that we obtain information about density from only few moments. Such an investigation is essential for a better understanding of moment significance. Then, we apply this description to two-dimension phase space, so that we can precisely estimate where particles are in this phase space. Finally, we enumerate difficulties met and deduce the limits of this method. The second part of this thesis, more experimental, presents beam the measurements of the beam characteristics of accelerator "GENEPI" as a part of hybrid reactor program. Moreover, we show how these specifications yields to beam calibration and validation of theoretical calculations used to design GENEPI

La recherche en physique nécessite aujourd'hui des accélérateurs de hautes énergie ou de forte intensité; l'utilisation des cavités supraconductrices constitue un progrés technologique trés important : elles permettent de fournir de hauts gradients accélérateurs avec une dissipation négligeable. Un des problèmes fondamentaux dans la conception de ces cavités est la variation de fréquence due aux forces de Lorentz : ayant un facteur de qualité beaucoup plus élevé que le facteur de couplage externe externe lié à la charge du faisceau, ces cavités ont des bandes passantes trés étoites, les faibles déformations des parois sous l'effet des forces de Lorentz peuvent engendrer une variation de fréquence supérieure à la bande passante lorsque le gradient accélérateur devient trés élevé, ce qui constitue une source d'instabilité. La contribution de cette thèse consiste d'abord en une analyse numérique de ce problème, puis en une étude mécanique d'une nouvelle méthode de rigidification. .
Today's researche in nuclear physics and in particle physics needs high energy or high intensity accelerators; the use of superconducting cavities constitutes a very important technological advance for the design of such facilities, allowing high accelerating gradient with few dissipation. One of the major problems is the frequency shift under Lorentz forces : since the quality factor of the superconducting cavities is much higher than the external factor depending on the beam charge, their bandwidths are very narrow (several Hertz). Even very small mechanical deformations under Lorentz forces could induce a frequency shift which exceeeds the bandwidth when the accelerating gradient becomes very high. The contribution of this thesis consists at first in a numerical analysis of this problem, then in a mechanical study of a new method for stiffening superconducting cavities : a copper coating over their external surface by thermal spray techniques

La radiothérapie de conformation avec modulation d'intensité est une technique qui consiste à moduler la fluence de chacun des faisceaux d'irradiation. Elle donne une meilleure distribution spatiale de la dose dans le patient et limite l'irradiation des tissus sains. Cette technique est appliquée au Centre Antoine Lacassagne sur un accélérateur linéaire Primus. Cependant, lors des contrôles sur fantôme de la répartition dosimétrique dans des régions présentant des hétérogénéités des écarts entre calculs et mesures persistent. Ce travail consiste à expliquer d'où proviennent ces écarts. Pour cela nous avons introduit la simulation Monte Carlo. Elle permet d'affiner la connaissance du dépôt de dose dans des zones où la mesure physique est difficile. La première partie a permis de réaliser la modélisation de l'accélérateur avec le code MCNPX. Des courbes de rendement en profondeur et des profils de dose pour différents champs et deux énergies ont été établis par simulation. La comparaison entre les résultats simulés et expérimentaux a montré la nécessité d'un ajustement sur l'énergie moyenne des électrons et sur le diamètre du faisceau. La deuxième partie a permis d'établir, à partir d'une étude sur fantôme hétérogène, que les écarts rencontrés lors de la mise en place de la RCMI sont dus à la mauvaise détermination des densités du fantôme par le TPS. Cette dernière étude montre aussi l'intérêt de l'algorithme de calcul de dose "collapsed cone" et la non adéquation du film radiographique en milieu hétérogène. Ces travaux de recherches ont permis d'obtenir une modélisation complète de l'accélérateur et des applications cliniques feront office d'études complémentaires
The intensity modulated radiation therapy is a technique consisting on the modulation of the irradiation fluence beam. It involves an optimized dose distribution in the patient and minimizes safe tissue irradiation. At the Center Antoine Lacassagne, this technique had been implemented once the acquisition of a multileaf accelerator Primus has been made. Meanwhile, the dose distribution in a heterogeneous phantom, typically of head and neck regions, presents some discrepancies between the calculated and the measured dose. This work aims to explain these discrepancies. In the first part a Monte Carlo simulation of the photon beam for the two nominal potential energies of 6 and 25 MV delivered by the linear electron accelerator have been realized. These investigations were performed with the Monte Carlo radiation transport computer code MCNPX. Some adjustments on the primary electron beam energy and the spot size of the source, given by the manufacturer, have been applied to optimize the adjustment between the ionization chamber and the Monte Carlo simulation on the depth-dose and the dose profile distributions. The second part of this work permits us to check the calculation data given by the treatment planning system in a heterogeneous phantom. The result shows a bad approximation of the material density by the TPS and explains the discrepancies encountered during the implementation of IMRT. We also show the utility of the "collapsed cone" dose calculation algorithm and the non-appropriateness of radiological film in heterogeneous medium. At least the complete accelerator modelling has been achieved and its development for clinical applications will be investigated

Dans ce travail nous présentons les résultats des expériences réalisées sur divers modèles de structures bipériodiques qui sont caractérisées par une impédance shunt effective élevée et destinées à des accélérateurs linéaires d’électrons opérant en régime d’ondes stationnaires à grand cycle utile. Deux modèles de structures sont étudiés principalement : la structure bipériodique possédant des cavités de couplage cylindriques ouvertes sur l’axe et celle ayant des cavités de couplage coaxiales. Les résultats sont comparés à ceux obtenus pour des structures bipériodiques à iris. A partir du modèle des circuits à constantes localisées, nous déduisons des expressions permettant le calcul des coefficients de couplage et des vitesses de phase et de groupe. Une méthode permettant l’élimination de la bande interdite sur le mode accélérateur est proposée. L’influence de la position et de la dimension des fentes de couplage est étudiée expérimentalement. Les impédances shunt effectives et les coefficients de temps de transit sont mesurés par la méthode des perturbations. Les résultats sont comparés aux valeurs calculées par le programme SUPERFISH. La sensibilité des structures aux instabilités susceptibles de provoquer le phénomène d’éclatement du faisceau est aussi étudié expérimentalement, au moyen de la méthode des perturbations
Experimental results on biperiodic standing wave accelerating structures are presented. These structures which are characterized by a high effective shunt impedance, are designed for standing wave, high duty cycle electron accelerators. Two types of structures are studied: the on-axis coupled structure and the coaxial coupled structure. The expressions for the dispersion relation, coupling coefficients, phase and group velocity are derived from a coupled resonator model. An experimental method to eliminate the stopband is put forward. The influence of the coupling slots on the dispersion curves is studied experimentally. The effective shunt impedance and the transit time factor are measured by the field perturbation techniques. Measured parameters are compared with SUPERFISH theoretical calculations. The field perturbation technique is also applied to measure the transverse shunt impedance of the dipole modes which are responsible for the beam breakup phenomenon

Dans de nombreuses applications, des paquets d’électrons relativistes sub-ps sont requis : Accélération laser-plasma, Lasers à électrons libres, Génération de rayonnement THz intense, Etude des phénomènes ultra-rapides dans la matière… L’aspect court des paquets et la nécessité d’un fort courant crête pour les applications impliquent de fortes forces de charge d’espace conduisant à une dégradation des propriétés du faisceau, telle que son émittance transverse et sa longueur. La principale difficulté est de caractériser, modéliser et prendre en compte ces effets. Ma thèse s’inscrit dans ce cadre à travers l’étude de la dynamique et des diagnostics associés à ces paquets courts. Le chapitre 2 rassemble des mesures de plusieurs propriétés du faisceau : charge, émittance transverse et longueur. L’originalité de mon travail réside dans l’utilisation de méthodes simples, des points de vues théoriques et technologiques. Ces méthodes, plus adaptées pour des faisceaux moins extrêmes, permettent néanmoins d’obtenir de très bons résultats. J’ai en particulier développé une méthode de mesure de charge à partir de la mesure de l’intensité lumineuse émise par un écran scintillant suite à l’interaction avec le faisceau. Cette méthode permet de mesurer précisément des charges inférieures à 100 fC, ce qui surpasse les capacités des diagnostics classiques (ICT et Coupe de Faraday) limités au picocoulomb à cause du bruit électronique. Cette méthode est utile, du fait que les paquets courts sont souvent faiblement chargés pour limiter l’effet des forces de charge d’espace. J’ai aussi adapté des méthodes multiparamétriques pour mesurer l’émittance transverse et la longueur des paquets d’électrons. Ces méthodes indirectes permettent de déterminer ces propriétés à partir de la mesure d’autres propriétés plus accessibles : les dimensions transverses pour l’émittance et la dispersion en énergie pour la longueur. La mesure de longueur (méthode des 3 phases) donne de très bons résultats, puisqu’elle permet de mesurer avec une précision meilleure que 10% des longueurs rms inférieures à la picoseconde. La mesure d’émittance sans prise en compte des forces de charge d’espace donne des résultats mitigés, puisque la précision varie de 20% (méthode des 3 gradients) à plus de 100% (méthode des 3 écrans). Une amélioration significative de la précision, jusqu’à un facteur 5, peut être obtenue en prenant en compte les forces de charge d’espace via une équation d’enveloppe, ce qui constitue l’originalité de mon travail. Le chapitre 3 consiste en une comparaison des propriétés des paquets courts d’électrons, unique ou longitudinalement modulé, générés par trois méthodes différentes : Utilisation d’une impulsion laser courte ou longitudinalement modulée dans un canon RF ; Compression magnétique dans une chicane ; Compression RF dans une structure accélératrice (Velocity Bunching). J’ai en particulier montré que, à charge égale, la génération de paquets courts via une impulsion laser courte dans un canon RF est désavantageuse, des points de vue de la longueur et de l’émittance transverse du faisceau, par rapport à la compression magnétique RF d’un paquet déjà accéléré. Cela est expliqué par les forces de charge d’espace plus importantes juste après l’émission du faisceau par la photocathode. Il est également consacré au développement et au test de modèles analytiques de la dynamique longitudinale des faisceaux. J’ai développé une matrice de transfert longitudinale pour un canon RF, en partant du modèle de K. J. Kim. Ce modèle a été comparé avec plusieurs mesures effectuées à PITZ et PHIL et a prouvé être précis sur les aspects énergétiques et temporels, mais pas sur l’aspect de la dispersion en énergie. J’ai également développé un modèle analytique du phénomène de velocity bunching dans des structures accélératrices à onde progressive, en partant d’un modèle simple développé par P. Piot
In several applications, quasi-relativistic sub-ps electron bunches are required: Laser-plasma acceleration, Free electron lasers, Generation of intense THz radiation, Study of ultra-fast phenomena in matter… The short nature of the bunch and the necessity of a high peak current for the applications imply strong space-charge forces leading to a degradation of beam properties, as its transverse emittance and duration. The main difficulty is to characterize, model and take into account these effects. My thesis falls within this context through the study of dynamics and diagnostics related to these short bunches, namely whose rms duration is not directly measurable by an electronic method locating the border at a few tens of picoseconds. The chapter 2 consists in the measurements of several properties of these bunches: charge, transverse emittance and duration. The originality of my work is that I use simple methods, both on the theoretical (analytical at maximum) and technological (using only common elements of electron accelerators) point of view. These methods, more suitable for less extreme bunches, allow however obtaining very good results. I especially developed a method of charge measurement from the measurement of the light intensity emitted by a scintillating screen following the interaction with an electron beam. This method allows precisely measuring charges lower than 100fC. This is better than the capabilities of classical diagnostics (ICT and Faraday Cup) limited to the picocoulomb because of electronic noise. This method is useful since the short bunches are often low-charged to minimize the effects of space-charge forces. It will also be used for detectors calibration, which requires low charges. I also adapt multiparametric methods to measure the transverse emittance and duration of electron bunches. These indirect methods allow determining these properties from the measurement of other more accessible properties: the transverse dimensions for the transverse emittance and the energy spread for the duration. The duration measurement (3-phase method) gives very good results, since it allows determining with accuracy better than 10% rms durations lower than one picosecond. The emittance measurement without taking into account the space-charge forces in the modeling gives mixed results, since the accuracy is from 20% (3-gradients method) to more than 100% (3-screens method). A significant accuracy improvement, up to a factor of 5, can be obtained by taking the space-charge forces into account through a beam envelop equation, which constitutes the originality of my work. The chapter 3 consists in the comparison of the properties of short electron beams, single or longitudinally modulated, generated by three different methods: Injection of a short or longitudinally modulated laser pulse in an RF-gun; Magnetic compression in a chicane; RF-compression in an accelerating structure (Velocity Bunching). I particularly shown that, at equal conditions of charge, the generation of short bunches thanks to a short laser pulse driven an RF-gun is disadvantageous, both from the beam duration and transverse emittance point of view, with respect to a magnetic or RF compression of an already accelerated beam. This is explained by the more important space-charge forces just after the beam emission by the photocathode. It also consists in the development and test of analytical models for longitudinal beam dynamics. I developed a longitudinal transfer matrix for RF-gun, starting from a Kim-like model. This model has been compared with several measurements performed at PITZ and PHIL and shown to be accurate on the energy and temporal aspects, but not on the energy spread aspect. I also developed an analytical model of the velocity bunching phenomenon in travelling wave accelerating structures, starting from a simple model developed by P. Piot

L'objectif de cette thèse est le développement des méthodes d'identification simples à implémenter en temps réel pour des systèmes non linéaires avec paramètres variant dans le temps. Les algorithmes développés sont destinés à l'identification des paramètres afin de permettre leurs mises à jour "en-ligne" dans un schéma de commande. Deux types d'approche sont développés: La première approche est basée sur les observateurs à structure variable (CSV). Dans cette approche, deux types de schéma d'identification des paramètres électriques et du flux rotorique d'un moteur asynchrone (MAS) sont proposés. Le premier et le deuxième schéma sont basés respectivement sur une loi dynamique et une loi d'estimation algébrique convergeant en temps fini. Les résultats en simulation et i1 en implémentation en temps réel ont été comparés à ceux obtenus par la méthode des moindres carrés récursifs (MCR). L'algorithme d'estimation basé sur l'OSV est plus robuste par rapport aux incertitudes paramétriques, aux bruits de mesure et est plus facile à implémenter en temps réel que la méthode MCR. La deuxième approche est basée sur un prédicteur neuronal à base radiale. Nous avons proposé une méthode basée sur ce type de prédicteur pour une classe de systèmes non linéaires plus large. Une application combinant cette méthode avec un observateur à haut gain sur l'identification des paramètres électriques et la vitesse rotorique d'un MAS triphasé a été également étudiée. Les simulations de défaut réalisées permettent l'extension de la méthode aux diagnostics et détection des pannes ainsi qu'à la commande du MAS sans utiliser les capteurs de vitesse. Les résultats expérimentaux obtenus par les deux approches montrent bien la convergence assez rapide des estimés vers leurs vraies valeurs et leurs robustesses par rapport aux variations des paramètres dans le temps, aux bruits de mesure, aux incertitudes paramétriques et du modèle ainsi qu'aux effets d'échantillonnages
This dissertation deals with on-line identification of nonlinear systems with time-varying parameters. The algorithms developed here are potentially useful for the design of the drives that can adjust controller parameters automatically. Another possible application is for the detection of failure. Two approaches have been designed. The first approach is based on the sliding mode observer (SMO). Two identification schemes using this approach have been investigated for electrical parameters and rotor flux estimation of an induction motor. The first and the second scheme are based respectively on the dynamical law and algebraic law which converge in finite time. The simulation and expenmental results have been compared to the results obtained using the recursive least square methods (RLSM). The methods based on the SMO are more robust with respect to parameters uncertainties, measures noises and are more easily implementable than the RLSM method. The second approach is based on the radial basis function neuronal predictor. We proposed parameters estimation scheme using this predictor for a large class of nonlinear systems with time-varying parameters. This method has been combined with high-gain observer to estimate electrical parameters and rotor speed of a three phase induction motor. The method can also be applied to the design of the mot or drives in sensorless control. Real-time implementation results obtained using both approaches show the fast convergence of the estimates to their true values and the robustness of both approaches with respect to time-varying parameters, measures noises, parameters and model uncertainties and sampling effects

Le laboratoire TRIUMF se spécialise dans la production de faisceaux d’ions rares radioactifs qui sont fondamentaux en physique nucléaire et de la matière condensée, entre autres. TRIUMF construit présentement un accélérateur linéaire d’électrons supraconducteur de 50 MeV, 10 mA dans le cadre du projet ARIEL. Les électrons accélérés seront utilisés pour produire des faisceaux radioactifs par photo-désintégration. Le faisceau d’électrons est « converti » en photons par le rayonnement de freinage des électrons lorsqu’ils traversent un matériau de Z élevé placé directement devant la cible de production. La cible utilisée initialement sera du 9Be afin de produire du 8Li. Le 9Be est intégré dans un composé de BeO fabriqué à TRIUMF et conçu d’après les spécifications de l’IPN Orsay où les tests préliminaires prendront place pendant la construction d’ARIEL. La puissance déposée dans la cible et la production d’isotopes rares sont calculées avec le code de simulations Monte Carlo FLUKA.
The TRIUMF laboratory in Vancouver B.C. is a world leader in the production of rare radioactive ion beams. Such beams are fundamental in research for nuclear physics, nuclear astrophysics and solid state science among others. TRIUMF is constructing a 50 MeV, 10 mA superconducting electron linac as part of its ARIEL project. The accelerated electrons will be used to produce RIB through photodisintegration. The electron beam is “converted” into photons by braking radiation of the electrons passing through a high Z material placed immediately before the production target. The initial target to be employed is 9Be, used to produce a 8Li beam. The 9Be is imbedded in a BeO compound manufactured at TRIUMF and designed following specifications of IPN Orsay where the preliminary tests will be conducted while ARIEL is being constructed. Both the power deposition and rare isotope production rates were calculated using the Monte Carlo simulation package FLUKA.

Ce travail traite de la modélisation non linéaire en électronique de puissance. Afin de répondre aux exigences de la simulation dans ce domaine, à savoir l'efficacité et la fiabilité des méthodes, nous avons développé une modélisation linéaire par morceaux. Nous l'appliquons à tous les éléments de base (sources, résistances, condensateurs et inductances). Afin d'offrir un maximum de possibilités et pour répondre aux besoins de l'approche hiérarchique de la modélisation, nous envisageons une évolution de ces éléments aussi bien spontanée (dépendant d'une grandeur électrique) que commandée (dépendant explicitement du temps). Nous complétons cet ensemble par le transformateur et l'interrupteur généralisé qui synthétise toutes les fonctions de commutation intégrant non seulement les semi-conducteurs mais également les associations de ceux-ci. Notre modèle d'interrupteur inclut également la dégradation dont l'utilisateur peut définir les conditions. Nous appliquons également la linéarisation à la gestion de l'hystérésis magnétique en faisant appel aux théories de Duhem et de Preisach. Dans l'optique de la macromodélisation, nous proposons une méthode pour conditionner les évolutions d'un ou de plusieurs éléments à celles d'un élément-maitre. L'utilisateur a la possibilité de configurer à loisir ces interactions. Nous montrons que, par cette technique, il devient possible de concevoir des macromodèles dont la topologie évolue virtuellement en cours de simulation. Enfin, nous étayons notre exposé par des exemples concrets qui exploitent les éléments et les outils mis au point dans le cadre de ce travail.

Les méthodes de Krylov sont fréquemment utilisés dans des problèmes linéaires, comme de résoudre des systèmes linéaires ou de trouver des valeurs propres et vecteurs propres de matrices, avec une taille extrêmement grande. Comme ces méthodes itératives nécessitent un calcul intensif, ils sont normalement déployés sur des grands clusters avec les mémoires distribués et les données communiqués par MPI. Lorsque la taille du problème augmente, la communication devient un bouchon principale d'atteindre une haute scalabité à cause de deux raisons: 1) La plupart des méthodes itératives comptent sur BLAS-2 matrices-vecteurs opérations de bas niveau qui sont communication intensive. 2) Le mouvement de données (accès à la mémoire, la communication par MPI) est beaucoup plus lent que la fréquence du processeur. Dans le cas des opérations de matrice creuse tels que la multiplication de matrices creuses et vecteurs (SpMV), le temps de communication devient dominant par rapport au temps de calcul. En outre, l'avènement des accélérateurs et coprocesseurs comme le GPU de NVIDIA fait le coût du calcul moins cher, tandis que le coût de la communication reste élevé dans des systèmes hétérogènes. Ainsi, la première partie de nos travaux se concentre sur l'optimisation des coûts de communication pour des méthodes itératives sur des clusters hétérogènes. En dehors du coût de communication, le mur de la puissance et de l’énergie devient un autre bouchon de scalabité pour le futur calcul exascale. Les recherches indiquent que la mise en œuvre des implémentations d'algorithmes qui sont informées pourrait efficacement réduire la dissipation de puissance des clusters. Nous explorons également la mise en œuvre des méthodes et des implémentations qui économisent l'énergie dans notre expérimentation. Enfin, l'optimisation de la communication et la mise en œuvre de l'efficacité énergétique seraient intégrés dans un schéma de méthode GMRES, qui exige un cadre d'auto-tuning pour optimiser sa performance
Iterative methods are frequently used in extremely large scale linear problems, such solving linear systems or finding eigenvalue/eigenvectors of matrices. As these iterative methods require a substantial computational workload, they are normally deployed on large clusters of distributed memory architectures communicated via MPI. When the problem size scales up, the communication becomes a major bottleneck of reaching a higher scalability because of two reasons: 1) Many of the iterative methods rely on BLAS-2 low level matrix vector kernels that are communication intensive. 2) Data movement (memory access, MPI communication) is much slower than processor's speed. In case of sparse matrix operations such as Sparse Matrix Vector Multiplication (SpMV), the communication even replaces the computation as the dominant time cost. Furthermore, the advent of accelerators/coprocessors like Nvidia's GPU make computation cost more cheaper, while the communication cost remains high in such CPU-coprocessor heterogeneous systems. Thus, the first part of our work focus on the optimization of communication cost of iterative methods on heterogeneous clusters. Besides the communication cost, power wall becomes another bottleneck of future exascale computing in recent time. Researches indicate that a power-aware algorithmic implementation strategy could efficiently reduce the power dissipation of large clusters. We also explore the potential energy saving implementation of iterative methods in our experimentation. Finally, both the communication optimization and energy efficiency implementation would be integrated into a GMRES method, which demands an auto-tuning framework to maximize its performance

La radiographie éclair par faisceau X intense est spécifique en ce sens qu'elle doit permettre de photographier la matière soumise à des conditions extrêmes de densification, de température et de vitesse de déplacement. Le succès de ce type de radiographie repose sur la qualité de la source X qui doit nécessairement être pénétrante (quelques MeV), intense (plusieurs rads), brève (quelques dizaines de ns) et de petite dimension (quelques mm). L'impulsion X est ainsi générée à partir du rayonnement de freinage émis lors de l'interaction avec une cible en métal d'un faisceau focalisé d'électrons de haute énergie (MeV) et de haute intensité (kA). Ce procédé lie très fortement les propriétés du faisceau d'électrons à ceux du faisceau X et donc à la qualité de la radiographie. Dans ce contexte, la thèse porte sur la compréhension de la dynamique du faisceau dans la diode à l'électron (c'est-à-dire juste avant son entrée dans la ligne accélératrice) ainsi que sur la caractérisation du plasma de velours dont sont issus les électrons qui composent le faisceau. Dans un premier temps, la dynamique du faisceau intense d'électrons a été étudiée à l'aide du code LSP reposant sur la méthode " Particle-In-Cell ". Les simulations réalisées ont été comparées avec des mesures effectuées sur l'injecteur d'un accélérateur linéaire à induction, implanté au CEA Valduc sur l'installation Epure. Grâce au modèle de simulation développé, une nouvelle diode à électrons mono-impulsion a été conçue, dimensionnée et réalisée pendant ce travail de thèse afin d'augmenter l'intensité du faisceau d'électrons de 2,0 kA à 2,6 kA permettant ainsi d'améliorer les performances radiographiques de l'installation. Dans un second temps, un modèle permettant d'étudier les mécanismes mis en jeu dans la production du faisceau d'électrons au niveau de plasma de cathode a été développé. Ce dernier est un modèle collisionnel-radiatif (MCR) 0D qui permet de décrire l'évolution de la densité des espèces d'un plasma dont la composition est directement liée aux molécules et atomes désorbés par la cathode de velours. Trois différents mélanges ont été étudiés impliquant de l'hydrogène, de l'oxygène et du carbone dont les proportions ont été estimées par des mesures LIBS (spectroscopie de plasma induit par laser).[...]
Intense X-ray flash radiography is used to take a stop-action picture of a material under extreme conditions like high densification, high temperature and high movement speed. The success of this kind of radiography is based on the quality of the X-ray source which must necessarily be penetrating (some MeV), intense (several rads), short (a few tens of ns) and small (a few mm). The X-ray pulse is generated from the bremsstrahlung radiation emitted during the interaction with a metal target of a focused electron beam of high energy (MeV) and high intensity (kA). This process strongly links the properties of the electron beam to those of the X-ray beam and thus to the quality of the radiography picture. In this context, the thesis is about the electron beam dynamics in the electron diode (i.e. just before electrons move towards the accelerator) as well as about the characterization of the velvet plasma from which electrons are extracted to form the beam. Firstly, the dynamics of the intense electron beam was studied using the LSP code based on the "Particle-In-Cell" method. The simulations were compared to measurements made on the injector of a linear induction accelerator, at the CEA Valduc center on the Epure facility. Based on the developed simulation model, a new single-pulse electron diode was designed, sized and realized during this thesis to increase the intensity of the electron beam from 2.0 kA to 2.6 kA, thus improving the radiographic performances of the facility. In a second step, a model allowing to study the mechanisms involved in the production of the electron beam from the cathode plasma was developed. This latter is a collisional-radiative model (CRM) 0D describing the evolution of the plasma species density of a plasma whose composition is directly related to the molecules and atoms desorbed by the velvet cathode. [...]

Dans le domaine des sciences et technologies, la simulation numérique est un élément-clé des processus de recherche ou de validation. Grâce aux moyens informatiques modernes, elle permet des expérimentations numériques rapides et moins coûteuses que des maquettes réelles, sans pour autant les remplacer totalement, mais permettant de réaliser des expérimentations mieux calibrées. Dans le domaine de la physique des réacteurs et plus précisément de la neutronique, le calcul de valeurs propres est la base de la résolution de l’équation du transport des neutrons. La complexité des problèmes à résoudre (dimension spatiale, énergétique, nombre de paramètres, …) est telle qu’une grande puissance de calcul peut être nécessaire. Les travaux de cette thèse concernent dans un premier temps l’évaluation des nouveaux matériels de calculs tels que les cartes graphiques ou les puces massivement multicoeurs, et leur application aux problèmes de valeurs propres pour la neutronique. Ensuite, dans le but d’utiliser le parallélisme massif des supercalculateurs, nous étudions également l’utilisation de méthodes hybrides asynchrones pour résoudre des problèmes à valeur propre avec ce très haut niveau de parallélisme. Nous expérimentons ensuite le résultat de ces recherches sur plusieurs supercalculateurs nationaux tels que la machine hybride Titane du Centre de Calcul, Recherche et Technologies (CCRT), la machine Curie du Très Grand Centre de Calcul (TGCC) qui est en cours d’installation, et la machine Hopper du Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), mais également sur des stations de travail locales pour illustrer l’intérêt de ces recherches dans une utilisation quotidienne avec des moyens de calcul locaux
In science, simulation is a key process for research or validation. Modern computer technology allows faster numerical experiments, which are cheaper than real models. In the field of neutron simulation, the calculation of eigenvalues is one of the key challenges. The complexity of these problems is such that a lot of computing power may be necessary. The work of this thesis is first the evaluation of new computing hardware such as graphics card or massively multicore chips, and their application to eigenvalue problems for neutron simulation. Then, in order to address the massive parallelism of supercomputers national, we also study the use of asynchronous hybrid methods for solving eigenvalue problems with this very high level of parallelism. Then we experiment the work of this research on several national supercomputers such as the Titane hybrid machine of the Computing Center, Research and Technology (CCRT), the Curie machine of the Very Large Computing Centre (TGCC), currently being installed, and the Hopper machine at the Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). We also do our experiments on local workstations to illustrate the interest of this research in an everyday use with local computing resources

Cette thèse porte sur l’étude des performances du moteur linéaire de référence par la méthode d’analyse éléments finis, et la conception optimale sur un modèle lourd en temps de calcul. La méthode éléments finis est utilisée pour étudier les performances du moteur linéaire de référence, car le modèle analytique d’un moteur linéaire est difficile à construire dû aux effets d’extrémités. Le modèle éléments finis (MEF) 2D permet de prendre en compte l’effet d’extrémité de longueur finie. L’effet d’extrémité de largeur finie est intégré au modèle 2D en faisant varier la conductivité du secondaire et en ajoutant une inductance de tête de bobines. Ensuite, le couplage entre le MEF 3D magnétique et thermique permet de prendre en compte tous les effets d’extrémité et de l’influence de la température. Un banc d’essais est construit pour valider les modélisations éléments finis. La comparaison entre les différents modèles montre l’importance du modèle couplé. L’optimisation directe sur un MEF est très couteuse en temps de calcul. Les stratégies d’intégrer un modèle de substitution au lieu d’un MEF sont étudiées. L’optimisation directe sur un modèle de substitution et l’algorithme Efficient Global Optimisation (EGO) sont comparés. Un algorithme Space Mapping (SM) 3 niveaux est proposé. Les résultats des cas tests montrent que le SM 3 niveaux est plus efficace par rapport à l’algorithme SM 2 niveaux. Une nouvelle stratégie d’optimisation avec un faible budget d’évaluation du MEF est proposée et testée dans le contexte d’une modélisation difficile. La stratégie proposée permet d’évaluer les MEF en parallèle, ainsi permet un gain considérable de réduction du temps d’optimisation
This thesis focuses on studying the performance of the linear induction motor using the method of finite element analysis, and the optimal design on a time-costly model. The finite element method is used to study the performance of the linear induction motor. Firstly, the 2D finite element model (FEM) is constructed, which allows taking into account the longitudinal end effects. The transverse edge effects are taken into account within 2D model by varying the conductivity of the secondary and by adding the inductance of the winding overhang. Secondly, a coupled model between the magnetic and thermal 3D FEM is built which allows taking into account both the end effects and the temperature influence. Finally, a test bench is realized to validate the models. The comparison between the different models shows the importance of the coupled model. Optimal design using finite element modeling tools is a complex task and also time-costly. The surrogate model-assisted optimization strategies are studied. The direct surrogate model-assisted optimization and the Efficient Global Optimization are compared. A three-level output space-mapping technique is proposed to reduce the computation time. The optimization results show that the proposed algorithm allows saving a substantial computation time compared to the classical two level output space-mapping. Using the 3D FEM, a multi-objective optimization with a progressive improvement of a surrogate model is proposed. The proposed strategy evaluates the FEM in parallel. A 3D Pareto front composed of the finite element model evaluation results is obtained, which allows taking the decision for the engineering design

La nécessité d'un accélérateur d'électrons à 100 % de cycle utile pour les besoins de la physique nucléaire, a conduit en 1981 le Service de l'Accélérateur Linéaire du CEN de Saclay, à étudier une machine utilisant l'accélérateur actuel associé à un anneau de lissage. La création de paquets d'électrons à la fréquence HF de l'anneau (600 MHz) amène à la conception d'un nouvel injecteur avec système de découpage de faisceau, constitué d'une cavité électromagnétique déflectrice associée à un collimateur. Une étude de quatre modes transverses magnétiques a conduit au choix d'un "hacheur" en cavité parallélépipédique fonctionnant au mode TM110. La construction d'un prototype et d'une cavité étanche, puis les mesures hyperfréquences associées ont permis de cerner différents problèmes mécaniques et de déterminer les propriétés électriques de la cavité. La ligne de faisceau, comprenant focalisation, bobines pour le décalage du balayage, découpage par un collimateur rectangulaire, a été étudiée, dans une première étape, pour un faisceau à courant nul, sur la base d'un modèle matriciel. Dans le but de mesurer les longueurs des paquets issus du découpage, une ligne expérimentale pour faisceau de 40 keV a été montée. Un système de mesure par capteur adapté à large bande, a été conçu. L'analyse spectrale du signal recueilli, a permis, par transformée de Fourier inverse, de reconstruire le signal dans le temps et de déterminer les caractéristiques du faisceau découpé. La dynamique du faisceau a été étudiée, avec un modèle de charge d'espace à trois dimensions qui a été implanté dans le code de calcul PARMELA. Les simulations ont montré qu'un faisceau de 150 keV, 2A, pouvait être découpé avec un système équivalent
The need of a 100 % duty cycle electron accelerator for use in nuclear physics, has led in 1981 the CEN Saclay Linear Accelerator Group, to study a machine using the existing linac associated with a pulse stretcher ring. The production of electron bunches at the ring RF frequency (600 MHz) requires the design of a new injector including a chopping beam system with a deflecting electromagnetic cavity and a collimator. A comparison between four transverse magnetic modes, led to choose a TM110 parallelepipedic chopper. The construction of a prototype and of a vacuum-tight cavity followed by microwave measurements has permitted to solve several mechanical problems and to specify the cavity electrical properties. In a first step1the beam line, including - focusing, offset deflection coils, chopping with a rectangular collimator - has been studied, for zero intensity beam current, on the basis of a matrix model. An experimental 40 keV beam line, has been assembled to measure the bunch length. The method was based on a spectral analysis of the signal delivered by a large band, 50 ohms adapted beam collector. The bunch shape in the time domain was reconstructed by inverse Fourier transform. The beam dynamics has been studied with a 3D space charge model which has been introduced into the PARMELA tracking code. Simulations showed that a 150 keV, 2A beam could be chopped with the same deflecting lay-out

ThomX, un démonstrateur de source Compton compacte de rayons X d’énergie réglable entre 45 et 90 keV, est en construction sur le campus de l'Université Paris-Saclay à Orsay. La thèse s’inscrit dans le cadre de l’upgrade du linac de ThomX qui consiste à réaliser une section accélératrice compacte à fort gradient en bande S (3 GHz) pour porter les faisceaux de ThomX de 50 MeV à 70 MeV. Un accord de collaboration R&D est signé entre LAL et PMB-Alcen pour développer une structure accélératrice en cuivre (OFHC) compacte en bande S à fort gradient. Une étude électromagnétique, thermique et dynamique de faisceau a été effectuée au LAL pour proposer une géométrie optimale de la section accélératrice pour atteindre des gradients accélérateurs très élevés. PMB est en charge d’améliorer les processus de fabrication en commençant par la réalisation des prototypes pour valider les choix technologiques et ensuite fabriquer la section finale pour répondre aux spécifications demandées. Dans un premier temps une étude couplée électromagnétique-thermique-structurelle du canon HF a été effectuée en utilisant le Logiciel d'analyse des éléments finis 3D (ANSYS). Ensuite l’étude électromagnétique et l’optimisation de la géométrie des cellules accélératrices ainsi que la conception des coupleurs de puissance pour constituer les prototypes à impédance constante avec un certain nombre de cellules réduit et la section accélératrice compacte à gradient constant ont été effectuées en utilisant les logiciels CST MWS et HFSS. Puis une étude thermomécanique de la structure accélératrice a été réalisée avec ANSYS pour concevoir et optimiser le circuit de refroidissement pour extraire la chaleur générée par la puissance HF dissipée dans les parois de la structure et garantir une répartition uniforme de la température au long de la structure. Les simulations du vide ont été également réalisées avec le code Monte Carlo pour envisager la meilleure solution de pompage pour le prototype de cuivre et la section finale. En outre, les principales étapes suivies dans la fabrication du Canon HF au LAL et le prototype en aluminium à 7 cellules chez PMB-Alcen ont été présentées. Des tests HF bas niveau du prototype ont été effectués afin de valider la géométrie « processus d’usinage ». Compte tenu des résultats expérimentaux, des problèmes techniques et des contraintes technologiques ont été abordées et certaines solutions ont été proposées pour la fabrication des prototypes en cuivre et de la section finale. Les simulations de la dynamique des faisceaux du Linac de ThomX ont été effectuées en utilisant le code ASTRA. Le but est de réduire autant que possible la dispersion en énergie et l’emittance transverse du paquet d’électrons au point d’interaction avec les impulsions laser, pour préserver la pureté spectrale de rayons X produits. Un modèle aussi proche que possible des caractéristiques des composants réels, tels que le canon HF, la section accélératrice à onde progressive (OP) et les solénoïdes a été pris en compte dans les simulations. Des résultats importants ressortent de ces simulations concernant les paramètres du laser (taille et durée du spot), le champ magnétique maximal des solénoïdes pour la compensation de l'effet de charge espace, le déphasage entre l’onde RF et le laser et l'effet du champ électromagnétique sur la dynamique des électrons. Différentes options pour les paramètres de fonctionnement de la machine et une nouvelle configuration de la position des solénoïdes ont été proposées. L’optimisation des caractéristiques du paquet d’électrons a été obtenue en utilisant un algorithme génétique et les performances finales du faisceau d’électrons ont été mises en évidence
The ThomX source should provide quasi-monochromatic high-quality X-rays (range 45-90 keV). The framework of the thesis is the electron beam linac energy upgrade from 50 MeV to 70 MeV necessary to achieve X-rays of 90 keV. For this purpose, the development of a compact high-gradient S-band electron accelerating structure is needed. It implies a research and development (R&D) activity at LAL in partnership with a French company (PMB-Alcen) in the High-Gradient (HG) technology of accelerating structures. The LAL-PMB-Alcen collaboration aims at the fabrication of a normal-conducting HG S-band structure by tackling the technological aspects that limit the achievement of high-gradient acceleration mostly due to vacuum RF breakdown and pulsed heating fatigue. Basically, the electromagnetic and thermal design of the HG S-band accelerating section has been performed at LAL. Meanwhile, PMB-Alcen was in charge to perform the fabrication, tuning and low power tests of prototypes and the final accelerating section. In this work, a fully coupled electromagnetic-thermal-structural finite element analysis on the THOMX RF gun has been performed with Ansys workbench. The HG accelerating section final regular cell dimensions and the power coupler design have been optimized. In particular, the electromagnetic simulation techniques and outcomes have been applied to constant impedance (CI) TW prototypes and also to a constant gradient (CG) final accelerating section. This allowed to verify the geometry choice, validate the fabrication procedure and check the fulfilment of the normal operating conditions. Moreover, a coupled thermo-mechanical study on a CI copper prototype has been performed. The water cooling system has been simulated to validate the capability to extract the heat generated by the dissipated power on the walls of the structure and guarantee a uniform temperature distribution along the section. Also, vacuum simulations have been performed on a 16-cells CI copper prototype and also on the final CG accelerating section. In addition, the main steps for the fabrication of the RF gun at LAL and a 7-cells aluminium prototype at PMB-Alcen have been presented. RF low power tests on the prototype have been performed in order to validate the 3D geometry design and the machining process. Taking into account the experimental results, mechanical problems and technological constraints have been tackled and some solutions have been proposed for the future copper prototype fabrication. Finally, beam dynamics simulations of the ThomX linac has been carried out by ASTRA code. The aim is to reduce as much as possible the energy spread and the transverse emittance to preserve the spectral purity of the produced X-rays, at the electron-photon interaction point. A model as close as possible to the characteristics of the real components, such as RF gun, TW section and solenoids has been considered. Important results came out from these simulations regarding laser parameters (spot size and duration), the maximum magnetic field of solenoids for high space charge effect compensation, dephasing between the RF and laser in the gun and effect of the travelling wave electromagnetic field on the particle dynamics. Different options for the parameter settings of machine operation and a new configuration of the solenoids position have been proposed. An optimization of the beam dynamics properties has been obtained by using a genetic algorithm and the ultimate performances of the electron beam have been highlighted

La première partie présente l'analyse et le résultat de l'expérience VCS-SSA à MAMI (Mayence). Celle-ci a été réalisée avec un faisceau d'energie 883 MeV et de polarisation longitudinale (~80%), à un quadri-moment de transfert (Q2=0. 35 GeV2) pour mesurer l'asymétrie de spin de faisceau dans les réactions ep-epgamma-eppi°. L'asymétrie obtenue en électroproduction de photon (resp. Pion) varie entre 0-15% (resp. 0-2%). Les modèles DR (Relations de Dispersion) pour la diffusion Compton virtuelle et MAID (pi°) prédisent l'amplitude globale de l'asymétrie mais pas complètement. Ce désaccord s'explique peut-être par une paramétrisation imparfaite de certains multipôles de production de pion ( gamma(*)N-piN). La deuxième partie est dédié à l'étude du spectre d'énergie du nucléon dans les états fondamentals L=0 et excité L=1 dans le modèle de quarks, en utilisant le potentiel Coulombien + linéaire (CL) et une correction relativiste. Une correction hyperfine est appliqué pour séparer les masses des nucléons. Les masses trouvées pour le proton et le delta (1232) sont respectivement égales à (968 MeV, 1168 MeV), et les masses des états excités (L = 1) varient entre 1564-1607 MeV. Et le modèle CL est appliqué à un calcul approché des polarisations généralisées du proton

Les effets d’extrémité jouent un rôle important dans la modélisation et la commande de la Machine Linéaire à Induction (MLI). Ces phénomènes augmentent significativement la non-linéarité du modèle de la machine et génèrent plusieurs difficultés pour contrôler et observer ses états avec de bonnes performances. Cette thèse aborde trois problématiques distinctes : la commande robuste de la MLI, l’estimation de la vitesse et du flux de la MLI et le contrôle robuste à base d’observateur en utilisant la théorie du mode glissant d’ordre supérieur.Dans la première partie de la thèse, trois contrôleurs robustes assurant la poursuite de trajectoire de la vitesse et du flux pour la MIL ont été développés : le Super Twisting (ST), le Super Twisting Adaptatif (STA) et le Twisting Adaptatif (TA). Ces commandes ont été testées en simulations et leurs performances ont été démontrées. Ainsi, le ST assure un contrôle continu avec convergence à temps fini de l’erreur à zéro malgré les perturbations, sous l’hypothèse que les bornes des incertitudes sont connues. Cette hypothèse est relaxée dans le cas du TA et du STA grâce à leurs propriétés adaptatives.Dans la deuxième partie de la thèse, un nouveau modèle du MLI a été proposé et son observabilité a été démontrée. Ensuite un Observateur par Mode Glissant d’Ordre Deux (MGOD) et un Observateur par Mode Glissant d’Ordre Supérieur (MGOS) ont été synthétisé afin d’estimer la vitesse et le flux du MLI, uniquement en utilisant la mesure des tensions et des courants statorique. La stabilité des deux observateurs a été prouvée par une approche de Lyapunov et leurs performances ont été démontrées à travers des simulations.Dans la dernière partie de la thèse, deux commandes par rejet actif des perturbations sont synthétisées. Ainsi et dans un premier temps, le modèle de la MLI est décomposé en deux sous-systèmes du second ordre. Ensuite, deux contrôleurs (le twisting et le super-twsiting) ont été synthétisés afin d’assurer la poursuite du flux et de la vitesse. Le MGOS est utilisé pour estimer les dérivées du flux et de la vitesse, ainsi que pour l’estimation en temps réel de la perturbation. Les contrôleurs quant à eux assurent la compensation des perturbations et la poursuite des trajectoires du flux et de la vitesse. La stabilité et la convergence des deux commandes proposées ont été prouvées et leurs performances démontrées par simulation
Dynamic end effects play an important role in the Linear Induction Machine (LIM) control. They increase significantly the nonlinearity of the machine model and generate several difficulties to control and observe states with good performances. This thesis addresses three distinctissues: LIM robust control, LIM speed and flux estimation and observer-based robust control using higher order sliding mode theory.In the first part, to achieve speed and flux tracking,Super Twisting Controller (STC), Adaptive Super Twisting Controller (ASTC), and Adaptive Twisting Controller (ATC) were proposed and implemented into LIM system with great performance, i.e. finite time convergence and robustness properties. Among them, STC ensures continuous control with finite time convergence of the error to zero despite disturbances, under the assumption that their bounds are known. ATC and ASTC can deal with unknown bounded disturbance thanks to their adaptive properties.In the second part, a novel simplified LIM model was proposed and its observability has been proved. Then, Second Order Sliding Mode Observer (SOSMO) and Adaptive High Order Sliding Mode Observer (HOSMO) were proposed to estimate LIM speed, only by using the measured stator voltages and stator currents. SOSMO observer is based on the super twisting algorithm and its stability has been proved with Lyapunov’s theory, which can guarantee finite time convergence with less chattering. Adaptive HOSMO strategy combines speed adaptive algorithm and HOSMO method together to estimate rotor fluxes and speed simultaneously.In the third part, the LIM is viewed as two second order subsystems. Moreover, only the speed and the flux are supposed to be measured. Based on that two differentcontrollers based on HOSMO were presented in order to achieve flux and speed tracking. In both controllers, the idea of active disturbance rejection control is applied. Hence, the HOSMO is used to estimate the derivatives of the flux and the speed, as well as the disturbance. Then, in order to deal with the uncertainty in the measured variables, two different SM controllers are proposed. Firstly, the TC is applied in the LIM. However, the control signal in this case is discontinuous. Then, in order to provide a continuous control signal, the TC is replaced with STC. The stability and convergence of proposed TC-HOSMO and STC-HOSMO approaches were given and simulation validated their performances

Les études présentées dans cette thèse ont contribuées au développement du détecteur CMS (Compact Muon Solenoid) auprès du futur cllisionneur LHC (Large Hadron Collider) dont la mise en service est prévue pour l'été 2007. Cette thèse se décompose en trois études qui portent respectivement sur l'étude de détecteurs gazeux à micropistes, l'étude de détecteurs silicium à micropistes ainsi que sur O.R.C.A., le logiciel de reconstruction et d'analyse des données du détecteur CMS.

L'étude des détecteurs gazeux à micropistes (MSGC) a porté sur les derniers tests sous un faisceau de haute intensité avant leur remplacement dans le trajectographe de CMS. Ces tests ont permis de montrer un nombre faible de pistes perdues ainsi qu'un rapport signal sur bruit stable. Ce test a donc prouvé que les MSGC répondaient aux exigences pour être intégrées au trajectographe de CMS.

La contribution suivante a consisté en l'étude de détecteurs silicium à micropistes et de son électronique associée sous un faisceau de type "25 ns". Ces tests ont indiqués un bon fonctionnement de l'électronique de contrôle et du système d'acquisition. Le rapport signal sur bruit, le delai et l'efficacité de reconstruction ont aussi été étudiés.

La dernière étude a porté sur la conception d'un algorithme de reconstruction consacré à la recherche de vertex secondaires dans la cadre du projet ORCA. Cet algorithme itératif a pour but d'être utilisé pour l'identification de jets contenant des quarks b. Cette partie analyse aussi les performances de reconstruction de vertex primaires (avec et sans empilement)

La validation des traitements de radiothérapie repose sur le calcul de la dose absorbée. Les algorithmes utilisés en routine clinique sont rapides mais limités dans certains cas. Dans ces situations, le calcul Monte-Carlo (MC) reste la référence. Cependant, celui-ci est complexe à mettre en place, et nécessite d'importantes ressources de calcul. Dans ce contexte, ces travaux de thèse ont consisté à élaborer une solution de double calcul MC applicable sur des cas cliniques, et à en étudier les apports. Pour ce faire nous avons développé un package nommé GAMMORA (GAte Monte carlo MOdel for RAdiotherapy). Il comprend la modélisation MC du TrueBeam (Varian) implémenté sur la plateforme GATE, ainsi qu'un script Python permettant de générer automatiquement les macros des simulations pour tous les types de traitements (électrons, VMAT, SRS, SBRT, VMAT-SBRT) à partir des données DICOM du patient. Le modèle étant déjà validé pour des applications simples de faisceaux de photons (X-RTE), nous l'avons complété en y intégrant la modélisation des faisceaux d'électrons (e-RTE) et celles de cas cliniques complexes. En parallélisant les simulations sur le mésocentre de calcul CALMIP, nous atteignons des temps de calcul raisonnables avec une incertitude statistique toujours inférieure à 2% dans les zones d'intérêts (de 10 min pour l'e-RTE à 3 h pour l'X-RTE). Pour éviter l'utilisation de fichiers d'espaces des phases (PHSP) volumineux, nous avons créé et validé un générateur de particules à partir d'un apprentissage profond (GAN) basé sur les PHSP constructeur. Pour l'e-RTE, les applicateurs ont été modélisés pour des champs simples et complexes. Les simulations ont été validées en les comparant aux mesures de référence faites dans l'eau pour les énergies 6, 9, 12, et 18 MeV. Nous avons également comparé les performances de GAMMORA et l'algorithme clinique eMC à des mesures (films radiochromiques) pour un fantôme complexe avec hétérogénéité (os et poumon) ou irrégularité de surface. Les résultats de GAMMORA étaient supérieurs ou équivalents à ceux d'eMC dans presque toutes les configurations. L'étude de cas cliniques a aussi montré des écarts de distributions de dose importants entre les deux algorithmes (particulièrement dans les régions de hautes densités). Une étude de l'effet interplay (IE) a ensuite été réalisée. Tout d'abord, des mesures ont été réalisées à l'aide d'un fantôme de contrôle qualité (Octavius 4D) placé sur une plateforme de mouvement 3D programmable. Il s'agissait d'abord d'évaluer qualitativement l'IE pour quelques configurations. Ensuite, ces dernières ainsi que 300 autres ont été simulées à l'aide de GAMMORA pour étudier l'IE de façon extensive en modifiant différents paramètres physiques (période, amplitude et forme du mouvement, dose par fraction ou marges de sécurité). Une méthodologie adaptée nous a permis d'isoler l'IE du blurring. [...]
The validation of radiotherapy treatment is based on the calculation of absorbed dose. The algorithms used in the clinic routinely are fast but limited in some cases. In these situations, the Monte-Carlo (MC) calculation remains the reference. However, it is complex to set up, and requires significant computing resources. In this context, this thesis work consisted of developing a MC double calculation solution adapted to clinical cases, and to study its possible application and contribution. To that end we have developped a package named GAMMORA (GAte Monte carlo MOdel for Radiotherapy Application). It includes the MC modeling of the TrueBeam (Varian) implemented on the GATE platform, as well as a python script to automatically generate the simulation macros for all types of treatments (electrons, VMAT, SRS, SBRT, VMAT-SBRT) from the patient's DICOM data. The model has already been validated for simple photon beam applications (X-RTE). We completed it by integrating the modeling of the electron beams (e-RTE) and those of complex clinical cases. By parallelizing the simulations on a high-performance computing cluster (CALMIP), we achieved reasonable calculation times with a statistical uncertainty always less than 2% in the areas of interest (from 10 min for the e-RTE to 3 h for the X -RTE). To avoid the use of large phase space files (PHSP), we created and validated a deep learning particle generator (GAN) based on the manufacturer's PHSP. For the e-RTE, the applicators were modeled for simple and complex fields. The simulations were validated by comparing them to the reference measurements made in water for the energies 6, 9, 12, and 18 MeV. We also compared the performance of GAMMORA and the clinical algorithm (eMC) with measurements (radiochromic films) for a complex phantom with heterogeneity (bone and lung) and surface irregularity. GAMMORA's results were better or equivalent to eMC's in almost all configurations. The clinical case study also showed significant differences in dose distributions between the two algorithms (particularly in high density regions). An interplay effect (IE) study was then performed. First, measurements were taken using a quality control phantom (Octavius 4D) placed on a programmable 3D motion platform. It was a question of qualitatively evaluating the IE for a few configurations. Then, these configurations and 75 others were simulated using GAMMORA to study the IE extensively by modifying different physical parameters (period, amplitude and shape of motion, dose per fraction or safety margins). An adapted methodology allowed us to isolate the IE from the blurring. The results show that the IE alone induced statistically significant differences between the predicted dose distribution and the one delivered. [...]

Aujourd'hui, les Lasers à Electrons Libres (LELs) en simple passage permettent d'étudier la structure de la matière dans le domaine de la femtoseconde. Cependant, le rayonnement produit, l'émission spontanée auto-amplifiée (SASE), bien que hautement brillante, possède une cohérence longitudinale partielle ; les profils temporel et spectral sont composés d'une série de pics, appelés « spikes », et présentent d'importantes fluctuations statistiques. Nous démontrons ici la forte amplification cohérente de la 5ème harmonique d'un laser Ti: Sa (800 nm, 10 Hz, 100 fs) générée dans une cellule de gaz, i.e. 160 nm, puis injectée dans un LEL. Ce phénomène spectaculaire s'accompagne de la génération d'Harmoniques Non Linéaires LELs (HNL) intenses et cohérentes à 54 nm et 32 nm. L'expérience a été réalisée sur le prototype de l'accélérateur SCSS (source SASE compacte de SPring-8, Japon). Cette installation est principalement constituée d'un canon à électrons à cathode thermo-ionique, d'un LINAC et d'un onduleur sous vide (2 sections de 4,5 m de long), au niveau duquel la source externe harmonique est superposée transversalement, spectralement et temporellement avec le faisceau d'électrons (150 MeV, 10 Hz, 1 ps). Avec une seule section d'onduleur, le rayonnement à 160 nm en mode injecté atteint une intensité de trois ordres de grandeur supérieure à celle obtenue sans injection, et présente une distribution spectrale quasi-Gaussienne. De plus, la longueur de saturation du LEL est deux fois plus courte. Vu le faible niveau d'injection requis, une telle amplification couplée à des schémas HNL permettrait de générer des rayonnements X-mous totalement cohérents jusqu'à la « fenêtre de l'eau ».

Les travaux menés durant cette thèse s'intéressent principalement aux avantages que peut offrir la machine asynchrone à double alimentation (MADA) dans un système de propulsion navale. Ceci est obtenu à travers les degrés de libertés additionnels qu'elle apporte, d'une part, par l'exploitation de la redondance structurelle naturelle, et d'autre part , par les stratégies de contrôle qui lui sont appliquées. La première partie de ce mémoire, présente la modélisation du propulseur innovant. Ce dernier est conçu principalement autour de la MADA comme moteur de propulsion. Il est alimenté par deux onduleurs de tension à Modulation de Largeur d'Impulsion (MLI), et entrainant une hélice à trois pales fixes et symétriques. Plusieurs stratégies de commande ont été introduites pour piloter le système. En effet, des lois de contrôle de type linéaires et non linéaires, associées à des divers modulateurs MLI ont été validées et appliquées à cette structure de propulsion. L'innovation apportée dans le cadre de ces travaux consiste à associer à l'optimisation par conception (machine et convertisseurs d'alimentation), une optimisation par la commande et ce en évaluant l'influence de ces techniques pour deux critères de dimensionnement majeurs, à savoir, les pertes dans les convertisseurs de puissances, et les bruits acoustiques et vibratoires. La propulsion navale, comme tout système embarqué, possède des exigences en matière de qualité de service non seulement en termes de performances mais aussi de fiabilité et de disponibilité. En effet, les systèmes conçus pour ce type d'application doivent assurer et garantir une continuité de service en cas d'apparition de défauts au sein des constituants du système. L'utilisation de la MADA dans les systèmes de propulsion offre une redondance structurelle naturelle et analytique, introduite par la commande, qui permet d'assurer une continuité de service du système en présence d'une défaillance dans la structure. Deux défauts sont ainsi considérés dans cette étude, un défaut de semi-conducteur de puissance dans le convertisseur de puissance et un défaut de capteur vitesse/position. Les stratégies de contrôle proposées, les modèles de propulseur établis ainsi que les reconfigurations adoptées suite aux défauts ont été validées expérimentalement sur les bancs développés au LAPLACE dans le cadre de ces travaux
This study focuses on the benefits that can be induced by the use of the Double Fed Induction Machine (DFIM) operating in motor mode for marine propulsion systems. It can be achieved by the additional degree of freedom it provides, firstly, by exploiting the natural structural redundancy, and secondly, by the alytical redundancy introduced by applied control strategies. The first part of this thesis presents the modeling of a propeller architected mainly around the DFIM and its load such as a propeller with three fixed and symmetrical blades. Several control strategies have been introduced to control the system, in fact, linear and nonlinear control laws type associated with various modulators have been validated and applied to the propulsion structure. The objective was to evaluate the influence of these techniques for two major design criteria, namely, losses in power converters, and noise and vibration noise. Naval propulsion as any embedded system has requirements for the quality of service not only in performance but also reliability and availability. Indeed, the systems designed for these types of applications must ensure and guarantee continuity of service in response to the failures in system components. The use of MADA in propulsion systems provides a natural structural and analytical redundancies which ensure system service continuity in the presence of a fault in this structure. Two faults are considered in this study, a power semiconductor fault in the power converter and a speed sensor / position failure. Control strategies proposed, the propeller modeling established and reconfigurations adopted following settings have been validated by simulation and experimentally on the real laboratory or industrial benches developed in the context of this study

The IFMIF accelerator will accelerate two 125mA continuous wave (cw) deuteron beams up to 40MeV and blasts them onto a liquid lithium target to release neutrons. The very high beam power of 10MW pose unprecedented challenges for the accelerator development. Therefore, it was decided to build a prototype accelerator, the Linear IFMIF Prototype Accelerator (LIPAc), which has the very same beam characteristic, but is limited to 9 MeV only. In the frame of this thesis, diagnostics devices for IFMIF and LIPAc have been developed. The diagnostics devices consist of beam loss monitors and interceptive as well as non-interceptive profile monitors. For the beam loss monitoring system, ionization chambers and diamond detectors have been tested and calibrated for neutron and γ radiation in the energy range expected at LIPAc. During these tests, for the first time, diamond detectors were successfully operated at cryogenic temperatures. For the interceptive profilers, thermal simulations were performed to ensure safe operation. For the non-interceptive profiler, Ionization Profile Monitors (IPMs) were developed. A prototype has been built and tested, and based on the findings, the final IPMs were designed and built. To overcome the space charge of accelerator beam, a software algorithm was written to reconstruct the actual beam profile.

Dans les prochaines années, le complexe d'accélérateur du CERN va subir une profonde mise a jour dont le but est une augmentation de la luminosité du LHC. Le projet LIU ( LHC Injectors Upgrade) coordonne les mises a jour des différentes parties de la chaine d'injection. Le projet LINAC4 s'inscrit dans ce cadre et sera la première étape de la mise à jour. Cette thèse présente les différentes études conduites lors du développement de l'instrumentation nécessaire à la mesure du faisceau. Ce travail est limité aux instruments permettant la mesure des profils transverses (taille et emittance). La thèse se divise en quatre parties. La première partie, composée des trois premiers chapitres, est vue comme une partie d'introduction où il sera présenté le projet LINAC4 ainsi que les différents aperçus théoriques nécessaires à la conception de types d'instruments requis. Le chapitre 2 décrit brièvement la dynamique des faisceaux dans un accélérateur et présente également des rappels théoriques sur l'effet de charge d'espace induit par le faisceau. Le chapitre 3 est un rappel sur les interactions entre particules et matière. La seconde partie, comprenant les chapitres 4 a 6, décrit les différentes études menées lors de la conception des SEM grid, wire scanner et emittance mètre. Le lecteur trouvera dans cette partie une description des instruments mentionnés et qui seront déployés lors de la phase de test et pendant la phase d'opération du LINAC4. Le chapitre 4 s'attarde sur les effet de charge thermique induite sur les fils des SEM grid et wire beam scanner par le faisceau et leur conséquence sur la survit de ces fils. Le LINAC4 va produire un faisceau intense d'ion H-, avec une taille de faisceau de l'ordre du millimètre, cette densité de particule va, à basse énergie, induire un grand dépôt d'énergie dans la matière. La hausse de température qui en résulte peut dépasser les limites thermomécaniques des matériaux usuels employés pour ce type de mesure. Cette étude permet de déterminer le matériau idéal pour le fil et d'imposer certaines restrictions sur l'utilisation des différents moniteurs de profils. Au sein de ce chapitre il est aussi présente une estimation des signaux obtenus pour des géométries et des matériaux de fils différents. Les chapitres 5 et 6 sont une études de l'emittance mètre a moyenne énergie du LINAC4 (3 et 12 MeV), le système employé est un système dit "Slit & grid", ou une fente permet de sélectionner une faible partie du faisceau, le reste étant absorbé, le profil du faisceau non perturbé est mesuré par une grille. Le chapitre 5 présente une étude sur les erreurs systématiques des mesures d'emittance dû a la diffusion multiple et a l'effet de charge d'espace du faisceau, ces deux phénomènes constituant les principales erreurs conduisant à une mauvaise reconstruction de l'emittance mesurée. Le chapitre 6 quant a lui est dédié à l'étude mécanique de la fente de l'emittance mètre. Comme pour les fils des moniteurs de profils, la charge thermique sur la partie supportant la slit est importante. Ce chapitre décrit les études effectuées pour le choix des matériaux et de la géométrie des pièces mécaniques. La troisième partie de la thèse, qui se résume au chapitre 7, est consacrée aux différents résultats expérimentaux obtenus dans la phase de test de la source de particule du LINAC4 ainsi que ceux obtenus lors d'une visite d'étude à SNS. Une partie de se chapitre décrira la mise au point de l'instrumentation aux banc test de la source, une autre présente l'effet de la diffusion multiple sur les mesures d'emittance à SNS et propose une mise a jour de l'instrument. Le chapitre 8 constitue la dernière partie de cette thèse. Dans ce dernier chapitre, le lecteur pourra lire une étude préliminaire sur l'utilisation d'un faisceau laser pour la mesure d'emittance et de profil aux hautes énergies du linac.

L’exploration d’une nouvelle physique à l’échelle d’énergie des « Tera electron Volt » (TeV) nécessite de collisionner des leptons dans de grands accélérateurs linéaires à grande luminosité. Ces collisionneurs linéaires requiert une taille de faisceau à l’echelle nanométrique au Point d’Interaction (IP).Parmi les multiples effets participant à la degradation de la luminosité, la correction de la chromaticité, l’effet du rayonnement synchrotronique et la correction des erreurs dans la ligne sont parmi les trois effets à maîtriser afin de réduire la taille du faisceau dans la Section Finale de Focalisation (FFS).Cette these propose un nouveau schéma de correction de la chromaticitè que l’on appelera “non-entrelacé”, appliqué ici au projet CLIC. Lors de l’implementation de cette nouvelle methode, il a été mis en evidence que le probléme principal est la dispersion de deuxième ordre au Doublet Final (FD), qui traverse un sextupole utilisé pour annuler les composantes géometriques restantes.L’effet du rayonnement peut être evalué par méthode de tracking des particules ou par des approximations analytiques. Afin d’inclure ces effets du rayonnement et les paramétres optiques de la ligne pendant la conception et le processus d’optimisation, l’effet Oide et le rayonnement dû aux aimants dipolaires ont été etudiés.Le résultat analytique du rayonnement synchrotronique dans les aimants dipolaires fut generalisé dans les cas avec alpha et dispersion non-nulles à l’IP. Cette généralisation est utilisée pour améliorer le code de simulation PLACET.Le rayonnement dans les aimants quadripolaires finaux imposent une limite à la taille verticale minimale du faiceau, connu comme l’effet Oide. Celui-ci est uniquement important à 3 TeV, donc deux possibilités sont explorées pour atténuer sa contribution dans la taille du faisceau : doubler la longueur et réduire le gradient du dernièr quadripole (QD0), ou integrer une paire d’aimants octupolaires, un en amont et un en aval du QD0.Une partie des exigences du FFS pour les nouveaux collisionneurs linéaire à leptons est testée expérimentalement dans l’« Accelerator Test Facility » (ATF). La réduction de la taille du faisceau d’électrons en utilisant le schéma local de correction de la chromaticité est explorée dans une extension de la ligne originale, appellé ATF2, oú deux buts furent fixés : atteindre 37 nm de taille verticale du faisceau à l’IP, et stabiliser de l’ordre du nanomètre la position verticale du faisceau à l’IP. Depuis 2014, une taille de 44 nm avec un nombre de particules d’environ 0.1 × 10^10 par paquet est atteint de manière regulière.Des cavités radio-frequence seront utilisées pour la stabilisation du faisceau, et également pour détecter le déplacement/les fluctuations du faisceau au dehors la marge tolerable pour le systéme de mesure, ainsi que des erreurs non detectées dans l’optique.Un set de trois cavités furent installées et sont utilisées pour mesurer la trajectoire du faiceau dans la région de l’IP, fournissant ainsi des informations pour reconstruire la position et l’angle à l’IP. Les specifications pour l’optique nominale d’ATF2, i.e. 1 nm de résolution sur 10 μm de gamme dynamique à un nombre de particules de 1.0 × 10^10 par paquet, n’ont pas encore été atteint.La meilleur résolution atteinte jusqu’ici correspond à 50 nm pour 0.4 × 10^10 particules par paquet, où le bruit de l’éléctronique impose une limite de 10 nm par cavité sur la résolution. La gamme dynamique est de 10 μm à 0.4 × 10^10 particules par paquet et 10 dB d’attenuation du signal des cavités, nécéssitant de mettre l’électronique à niveau. Le test du système d’asservissement pour stabiliser le faisceau a atteint une réduction de la fluctuation jusqu’a 67 nm, compatible avec la résolution des cavités
The exploration of new physics in the “Tera electron-Volt” (TeV) scale with precision measurements requires lepton colliders providing high luminosities to obtain enough statistics for the particle interaction analysis. In order to achieve design luminosity values, linear colliders feature nanometer beam spot sizes at the Interaction Point (IP).Three main issues to achieve the beam size demagnification in the Final Focus Section (FFS) of the accelerator are the chromaticity correction, the synchrotron radiation effects and the correction of the lattice errors.This thesis considers two aspects for linear colliders: push the limits of linear colliders design, in particular the chromaticity correction and the radiation effects at 3 TeV, and the instrumentation and experimental work on beam stabilization in a test facility.A new chromaticity correction scheme, called non-interleaved, is proposed to the local and non-local chromaticity corrections for CLIC. This lattice is designed and diagnosed, where the main issue in the current state of lattice design is the non-zero second order dispersion in the Final Doublet (FD) region where a strong sextupole is used to correct the remaining geometrical components.The radiation effect can be evaluated by tracking particles through the lattice or by analytical approximations during the design stage of the lattices. In order to include both, radiation and optic parameters, during the design optimization process, two particular radiation phenomena are reviewed: the Oide effect and the radiation caused by bending magnets .The analytical result of the radiation in bending magnets in was generalized to the case with non-zero alpha and non-zero dispersion at the IP, required during the design and luminosity optimization process. The closed solution for one dipole and one dipole with a drift is compared with the tracking code PLACET, resulting in the improvement of the tracking code results.The Oide effect sets a limit on the vertical beamsize due to the radiation in the final quadrupole. Only for CLIC 3 TeV this limit is significant, therefore two possibilities are explored to mitigate its contribution to beam size: double the length and reduce the QD0 gradient, or the integration of a pair of octupoles before and after QD0.Part of the requirements of the FFS for new linear accelerators are tested in The Accelerator Test Facility (ATF). The beam size reduction using the local chromaticity correction is explored by an extension of the original design, called ATF2 with two goals: achieve 37 nm of vertical beam size at the IP, and the stabilization of the IP beam position at the level of few nanometres. Since 2014 beam size of 44 nm are achieved as a regular basis at charges of about 0.1 × 10^10 particules per bunch.A set of three cavities (IPA, IPB and IPC), two upstream and one downstream of the nominal IP and on top of separate blocks of piezo-electric movers, were installed and are used to measure the beam trajectory in the IP region, thus providing enough information to reconstruct the bunch position and angle at the IP. These will be used to for beam stabilization and could detect beam drift/jitter beyond the tolerable margin and undetected optics mismatch affecting the beam size measurements. The specifications required of 1 nm resolution over 10 μm dynamic range at 1.0 × 10 10 particules per bunch with the ATF2 nominal optics have not been yet achieved.The minimum resolution achieved is just below 50 nm at 0.4 × 10^10 particules per bunch with a set of electronics impossing a noise limit on resolution of 10 nm per cavity. The dynamic range is 10 μm at 10 dB attenuation and 0.4 × 10^10 particules per bunch, indicating the need to upgrade theelectronics. The integration to the ATF tuning instruments is ongoing. Nonetheless, feedback has been tested resulting in reduction of beam jitterdown to 67 nm, compatible with resolution