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Thématique : Accélérateurs Journées de prospectives IN2P3/IRFU Giens, 2-5 Avril 2012 Présentée par M. Baylac, S. Bousson, O. Napoly

Thématique : Accélérateurs

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Thématique : Accélérateurs. Présentée par M . Baylac, S. Bousson , O. Napoly. Journées de prospectives IN2P3/IRFU Giens , 2-5 Avril 2012. Plan de l’exposé (O. Napoly , A. Specka , A. Variola ). Collisionneurs LHC, HL-LHC,HE-LHC ILC,CLIC LEP3 , super Tristan LHeC - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Thématique  :  Accélérateurs

Thématique : Accélérateurs

Journées de prospectives IN2P3/IRFUGiens, 2-5 Avril 2012

Présentée par M. Baylac, S. Bousson, O. Napoly

Page 2: Thématique  :  Accélérateurs

Plan de l’exposé(O. Napoly, A. Specka, A. Variola)

• Collisionneurs • LHC, HL-LHC,HE-LHC• ILC,CLIC• LEP3, super Tristan• LHeC

• Sources de Rayonnement• European XFEL• ThomX

• Accélération Laser-Plasma

Page 3: Thématique  :  Accélérateurs

1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 20150.001

0.01

0.1

1

10

Collisionneurs hadroniques

B [T]

Année de mise en service

HERA

TEVATRON

LHC

Dipôles supraconducteurs

HERA LHCTEVATRON RHIC

RHIC

Luminosité pic [nb-1s-1 ou 1033cm-2s-1]

LHC

TEVATRON

1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 20150

1

2

3

4

5

6

7

8

9

4.24.68

3.46

4.164.76

8.32

Page 4: Thématique  :  Accélérateurs

Luminosité et Dynamique Faisceau du LHC

50 ns

Page 5: Thématique  :  Accélérateurs

LHC 2010-2012:Leçons à titre personnel

• Importance relative des deux Paramètres déterminants,

Energie et Luminosité:

La clé du succès de l’exploration du secteur du Higgs est la haute luminosité

• Importance relative de la Technologie et de la Faisceau-logie (en incluant l’Opération):

Le mérite du succès de l’exploration du secteur du Higgs est du en grande partie à la flexibilité des paramètres de réglage du collisionneur et des

injecteurs.

Page 6: Thématique  :  Accélérateurs

High Luminosity-LHC

Changement des Triplets en 2017 pour 1) tenue au radiation 2) * = 15 cm

Page 7: Thématique  :  Accélérateurs

High Luminosity-LHC : Dynamique fso

Principaux défis de R&D, dans le périmètre Irfu-IN2P3:• Dynamique faisceau, optique de la région d’interaction

Le schéma ‘Achromatic Telescopic Squeezing’ (S. Fartoukh) qui prépare le faisceau dans les arcs une focalisation plus forte à l’IP, est le schéma de référence, testé avec succès sur le LHC à l’été 2011.

ATS

Financement via FP7 HiLumi DS

Page 8: Thématique  :  Accélérateurs

High Luminosity-LHC: Aimants

Material TC (K)

Nb 9.2

NbTi 9.5

Nb3Sn 18.3

HTS > 30

Principaux défis de R&D, dans le périmètre Irfu-IN2P3:• Quadripôles NbTi 8,5 T à F120 mm• Technologie aimants accélérateur en Nb3Sn

Financement via FP7 S-LHC CNI, HiLumi DS, EuCARD, Contr. France au CERN

Page 9: Thématique  :  Accélérateurs

2-GeV Booster

Linac4

S-SPS?

HE-LHC20-T dipole magnets

higher energytransfer lines

High Energy-LHC

s= 33 TeVL=2x1034 cm-2s-1

Page 10: Thématique  :  Accélérateurs

High Luminosity-LHC

10

100

1000

10000

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Applied Field (T)

JC (

A/m

m²)

YBCO Insert Tape (B|| Tape Plane)

YBCO Insert Tape (B Tape Plane)

MgB2 19Fil 24% Fill (HyperTech)

2212 OI-ST 28% Ceramic Filaments

NbTi LHC Production 38%SC (4.2 K)

Nb3Sn RRP Internal Sn (OI-ST)

Nb3Sn High Sn Bronze Cu:Non-Cu 0.3

YBCO B|| Tape Plane

YBCO B Tape Plane

2212

RRP Nb3Sn

BronzeNb3SnMgB2

Nb-TiSuperPower tape used in record breaking NHMFL insert coil 2007

18+1 MgB2/Nb/Cu/Monel Courtesy M. Tomsic, 2007

427 filament strand with Ag alloy outer sheath tested at NHMFL

Maximal JC for entire LHC Nb Ti strand production

Complied from ASC'02 and ICMC'03 papers (J. Parrell OI-ST)

4543 filament High Sn Bronze-16wt.%Sn-0.3wt

%Ti (Miyazaki-MT18-IEEE’04)

Material

Essentiellement 2 types de conducteurs:- NbTi, Nb3Sn soutiennent les forts courants, pas les forts champs → zones de chps

faibles- HTS (Bisco,…) soutiennent les forts champs, pas les forts courants→ zones de chps

forts

Material TC (K)

Nb 9.2

NbTi 9.5

Nb3Sn 18.3

HTS > 30

Page 11: Thématique  :  Accélérateurs

0

5

10

15

20

0 20 40 60 80

Op

erat

iona

l fie

ld (T

)

Coil width (mm)

HE-LHC

LHCSSC

HeraTevatron

RHIC

D20 (max. reached)

HD2(max. reached)

Nb-Ti

Nb3Sn

HTS

($/kg) m3

Kg M$ %Nb-Ti 200 0.12 960 0.19 5%

Nb3Sn - h 800 0.16 1300 1.0 28%

Nb3Sn - l 800 0.10 850 0.7 18%

Bi 2212 3000 0.07 620 1.9 49%

0.45 3730 3.8Total

Principaux défis de R&D, dans le périmètre Irfu-IN2P3:• Conducteur et bobines HTS• Conducteur et dipôle Nb3Sn• Conception d’aimants accélérateur

hybrides

io RRJB 2

00

High Energy-LHC: hybrid dipole design

0

20

40

60

80

0 20 40 60 80 100 120

y (m

m)

x (mm)

HTS

HTS

Nb3Snlow j

Nb-Ti

Nb-TiNb3Snlow j

Nb3Snlow j

Nb3Snhigh j

Nb3Snhigh j

Nb3Snhigh j

Nb3Snhigh j

15 m

Financement via FP7 EuCARD2 IA

Page 12: Thématique  :  Accélérateurs

HL-LHC et HE-LHC: Feuille de Route Irfu

Page 13: Thématique  :  Accélérateurs

Usine à Higgs s= 240 GeV : LEP3

A. Blondel, F. Zimmermann

9 GV + 6 GV de RF-supra CW dans les deux anneaux Schéma de croisement à angle ‘crab-waist’ pour 10 nb-1s-1 de luminosité

Page 14: Thématique  :  Accélérateurs

Usine à Higgs: SuperTristan (e.g. 40 km)

K. Oide

Page 15: Thématique  :  Accélérateurs

Usine à Higgs s= 240 GeV: LEP3 vs. SuperTristan

K. Oide

Page 16: Thématique  :  Accélérateurs

Usine à Higgs: LEP3, SuperTristan

Principaux défis de R&D, dans le périmètre Irfu-IN2P3:

• Cryomodules 15-20 MV/m CW e.g. Eacc(LEP3) = 2,5 x Eacc(LEP200) ~ 18 MV/m,

Pcryo(LEP3) =6 x Pcryo(LEP200) ~ 30 MW

• Injecteurs ‘LIL3’

Page 17: Thématique  :  Accélérateurs

SuperTristan à 500 GeV

K. Oide

R. Versteegen(IPAC 2011)

Pour les hautes énergie de faisceaux, limitation due au ‘Beamstrahlung’ :même la trajectoire centrale est déviée dans une collision à angle.

Page 18: Thématique  :  Accélérateurs

Collisionneurs e+e- : ILCPrincipaux problèmes:• Taux de réussite à l’acceptation des cavités 35 MV/m• Organisation de la production à grande échelle sur 3 régions• Coûts des cryomodules (~XFEL/2)• Gouvernance mondiale

Cost Effective

Mass-Production

Cavity Specs. /

Yield

Plug Compatible Interfaces

Production process

models

Vendor

models

In-kind contribution

models

A. Yamamoto

Page 19: Thématique  :  Accélérateurs

Global ILC Cavity Gradient Yield

Plot courtesy Camille Ginsburg of FNAL

TDP-2 Goal

TDP-1 Goal Achieved> 50 %

35 MV/m usable

Collisionneurs e+e- : ILC

Principaux défis de R&D, dans le périmètre Irfu-IN2P3:• Electropolissage vertical et tests RF• Cavités hauts gradients: développements multicouches, inspection

optique

Page 20: Thématique  :  Accélérateurs

Collisionneurs e+e- : ILCOrganisation de la production à grande échelle sur 3 régions

A. Yamamoto

Modèle XFEL d’industrialisation de la production des coupleurs (LAL-Orsay) et de l’intégration des cryomodules (Irfu-Saclay):→ Maîtrise du processus industriel→ Pérennité des infrastructures (conditionnement, salle blanche, alignement, etc…)

Page 21: Thématique  :  Accélérateurs

Collisionneurs e+e- : ILCOrganisation de la production à grande échelle sur 3 régions

A. Yamamoto

Principaux défis de R&D, dans le périmètre Irfu-IN2P3:• Assurer un rôle de ‘Hub’ (ou ‘Tier 1’) sur les infrastructures construites

pour XFEL au LAL-Orsay et Irfu-Saclay• Soutien aux industriels français : Thales, ALSYOM, SDMS, Aperam, Jehier,

etc… et européens, RI, Zanon, BNG, Plansee, Heraeus, VAC.

Pour ILC 500 GeVavec ~2000 cryomodules:le but est d’atteindre une cadence de production de2 cryomodules/semaine/5

hubs→ 6 ans de construction

Pour XFEL avec 100 cryomodules : 1 cr. / semaine

Les infrastructures sont compatibles avec une

cadence de 2 cr. / semaine

Page 22: Thématique  :  Accélérateurs

Collisionneurs e+e- : ILC

Outils de Production XFEL @ LAL-Orsay

800 coupleurs de puissance• Fourniture• Conditionnement RF (0.5 MW, 500 µs)

Page 23: Thématique  :  Accélérateurs

Collisionneurs e+e- : ILC

Outils de Production XFEL @ Irfu

Page 24: Thématique  :  Accélérateurs

Collisionneurs e+e- : ILC

Réduction des coûts de fabrication

Principaux défis de R&D, dans le périmètre Irfu-IN2P3:

• S’associer aux études d’industrialisation menées par DESY et le CERN• Ouvrir la compétition sur la production de cavités ILC• Maîtriser/réduire les coûts de production des coupleurs et cryomodules

XFEL• Brasage de coupleurs • Blindages magnétiques • Manteaux de superisolation • Simplification des procédures (visserie propre)• Etc..

Page 25: Thématique  :  Accélérateurs

CLICDeux pôles d’activité se dégagent : • la recherche des hauts gradients en RF des structures accélératrices 12

GHz• les techniques de production des électrons et positons, de stabilisation,

de mesure et de contrôle des faisceaux, notamment au point d’interaction.

Gradient d’accélération 132 MV/m pour pulse de 80 MW – 240 ns

Peu de claquages – faible dispersion en énergie

CTF3/CALIFES

En 2010 et 2011, plusieurs cavités accélératrices 12 GHz en cuivre type CLIC ont atteint un gradient accélérateur de 100 MV/m avec une probabilité de claquage relativement faible (de 10-3 à 10-7 /impulsion/m).  

Page 26: Thématique  :  Accélérateurs

CLIC: Structures accélératricesPour la période 2012-2016, la faisabilité technique de la cavité RF de base CLIC « toute équipée » reste à démontrer, en intégrant en particulier un réseau d’absorbeurs hyperfréquence permettant d’atténuer fortement les modes supérieurs. Les structures accélératrices seront ensuite testées en puissance à l’aide de klystrons ou intégrées à des modules CLIC à deux faisceaux pour des essais avec faisceau sur CTF3.  Plan de développement à 10 ans• Conception RF des structures à onde progressive haut

gradient: modélisation de l’extraction, atténuation et détection des modes supérieurs dans les cavités avec comme application la mesure de position transverse du faisceau et éventuellement la détection de claquages (diagnostics RF).

• Ingénierie des cavités haut gradient en cuivre: l’objectif est d’améliorer la maîtrise des procédés de fabrication tels que l’usinage d’ultra-précision, l’assemblage haute température par diffusion et par brasage, les traitements de surface par attaque chimique et l’assemblage en environnement ultra-propre.

• Fabrication de structures accélératrice type CLIC: les caractéristiques propres aux structures CLIC seront intégrées progressivement avec une optimisation du design en collaboration avec nos partenaires industriels.

• Test en puissance RF des structures accélératrices haut gradient 12 GHz : il est primordial d’accroitre rapidement les capacités de test en puissance. L’implantation d’une nouvelle station d’essai 12 GHz à l’Irfu sur le schéma klystron-modulateur-compresseur d’impulsion serait d’un grand intérêt scientifique et technique.

• Opération des structures accélératrices à CTF3 : les structures seraient intégrées à des modules CLIC à deux faisceaux 12 GHz, l’objectif étant de caractériser complètement les cavités en environnement accélérateur.

Structures CLIC Irfu-Mécachrome-Thales

Page 27: Thématique  :  Accélérateurs

RR LHeC:new ring in LHC tunnel,with bypassesaround experiments

RR LHeCe-/e+ injector10 GeV,10 min. filling time

LR LHeC:recirculatinglinac withenergy recovery

Collisionneur LHeC

Page 28: Thématique  :  Accélérateurs

LHC p

1.0 km

2.0 km

10-GeV linac

10-GeV linacinjector

dump

IP

comp. RF

e- final focus

tune-up dump

0.26 km

0.17 km

0.03 km

0.12 km

comp. RF

Rayon de courbure ~ 760 mCirconférence totale ~ 8.9 km

10, 30, 50, 50, 30 ,10 GeV

20, 40, 60, 40, 20 GeV

Collisionneur LHeC: Option ‘Energy Recovery Linac’ (ERL)

Page 29: Thématique  :  Accélérateurs

Collisionneur LHeC

Power Coupler

Magnetic Shielding

Bulk Niobium 5-cells Cavity

Helium Tank

HOM Coupler

Tuner

Principaux défis de R&D, dans le périmètre Irfu-IN2P3:• Dynamique faisceau

(région d’interaction e-p, stabilité linac e-)

• Source de positrons dans l’option e+p

• Cryomodule 20 MV/m CW

• Triplet quadripôles

Exit hole for electrons & non-colliding protons

175 T/m, φ 92 mm311 T/m, φ 46 mm

Q1 Q2

Page 30: Thématique  :  Accélérateurs

Cryomodule Accélérateur SRF CW à Haut Gradient

Principales applications: collisionneurs circulaires, sources de lumière CW et ERL, Eurisol, LUNEX5 Phase2,

Principaux défis de R&D, dans le périmètre Irfu-IN2P3:• Canons à électrons• Cryomodules 15-20 MV/m CW

1. Conception et tests cavité à faible dissipation2. Conception et tests coupleur > 50 kW CW et

coupleurs HOM3. Conception et tests système d’accord en CW4. Conception/fabrication cryostat (e.g. blindages

magnétiques)5. Cryogénie à haut rendement

Cornell ERL Projet BERLinPro à HZB

Page 31: Thématique  :  Accélérateurs

Déploiement des accélérateurs RF Supra en Europe

Table en cours de consolidation pourTTC/EuCARD:• 4

accélérateurs démantelés

• 11 acc. en opération

• 4 acc. en construction

• 7 acc. en projet

Name Particles # cavities Type Material Gradient Mode T Status LocationHERA electrons, positrons 16 500 MHz b=1 elliptical 4-cell Nb 4.0 MV/m CW 4.2 K de-commissioned DESY

LEP200 electrons, positrons 288 352 MHz b=1 elliptical 4-cell Nb/Cu 7 MV/m CW 4.5 K de-commissioned CERNMACSE electrons 5 1.5 GHz b=1 elliptical 5-cell Nb 10 MV/m CW 1.8 K de-commissioned CEA-Saclay

Tandem PA ions spiral Nb 4.2K de-commissioned CEA-Saclay

ALICE electrons22

1.3 GHzb=1 elliptical 9-cellb=1 elliptical 7-cell

Nb3-5 MV/m13.5 MV/m

2 K operation Daresbury

ALPI ions1258

101 MHzQWQW

NbNb/Cu

CW operation LNL

DIAMOND electrons 2 500 MHz b=1 elliptical 1-cell Nb 6.5 MV/m CW 4.5 K operation Oxford

ELBE electrons14

1.3 GHzb=1 elliptical 3½-cellb=1 elliptical 9-cell

Nb8 MV/mMV/m

operation HZDR

ELETTRA electrons 1 1.5 GHz b=1 elliptical 2-cell Nb 5 MV/m CW 4.5 K operation Trieste

FLASH electrons564

1.3 GHz3.9 GHz

b=1 elliptical 9-cell Nb20-30 MV/m14.5 MV/m

pulsed 2 K operation DESY

ISOLDE ions1220

101 MHzb=0.063 QWb=0.103 QW

Nb 6 MV/m 4.5 K operation CERN

LHC protons, ions 16 400 MHz b=1 elliptical 1-cell Nb/Cu 8 MV/m CW 4.5 K operation CERN

SDaLinac electrons11

223 GHz

b=0.85 elliptical 2-cellb=1 elliptical 5-cellb=1 elliptical 20-cell

NbMV/mMV/m

6.7 MV/m2 K operation Darmstadt

SLS electrons 1 1.5 GHz b=1 elliptical 2-cell Nb 5 MV/m CW 4.5 K operation PSISOLEIL electrons 4 352 MHz b=1 elliptical 1-cell Nb/Cu 6 MV/m CW 4.2 K operation SOLEIL

BERL inPro electrons133

1.3 GHzb=1 elliptical 1½-cellb=1 elliptical 2-cellb=1 elliptical 7-cell

Nb 20 MV/m18 MV/m

CW 2 K construction HZB

E-XFEL electrons808

81.3 GHz3.9 GHz

b=1 elliptical 9-cell Nb24 MV/m15 MV/m

pulsed 2 K construction Hamburg

IFMIF-EVEDA D+ 8 175 MHz b=0.094 HW Nb 4.5 MV/m CW 4.5 K construction Rokkasho

SPIRAL2 D+, ions1214

88 MHzb=0.07 QWb=0.12 QW

Nb6.5 MV/m6.5 MV/m

CW 4.2 K construction GANIL

ESS protons2864

112

352 MHz704 MHz704 MHz

b=0.5 double spokeb=0.7 elliptical 5-cellb=0.9 elliptical 5-cell

Nb8 MV/m

15.5 MV/m18.2 MV/m

pulsed 4.5 K project Lund

EURISOL protons, deutons

165636

14

176 MHz176 MHz352 MHz704 MHz704 MHz704 MHz

b=0.009 HWb=0.015 HW

b=0.3 triple spokeb=0.47 elliptical 5-cellb=0.65 elliptical 5-cellb=0.78 elliptical 5-cell

Nb

4.7 MV/m5.2 MV/m5.8 MV/m

MV/mMV/mMV/m

CW 4.2 K project -

ILC electrons, positrons 16 900 1.3 GHz b=1 elliptical 9-cell Nb 35 MV/m pulsed 2 K project -LUNEX5 electrons 16 1.3 GHz b=1 elliptical 9-cell Nb 25 MV/m pulsed 2 K project SOLEIL

LHeC ERL electrons 944 721 MHz b=1 elliptical 5-cell Nb 20 MV/m CW 2 K project CERN

MYRRHA protons

14264

120

176MHz352 MHz704 MHz704 MHz

CHb=0.35 single spoke

b=0.47 elliptical 5-cellb=0.65 elliptical 5-cell

Nb

MV/mMV/mMV/mMV/m

CW 4.5 K project SCK

SPL protons, H-60

184704 MHz

b=0.65 elliptical 5-cellb=1 elliptical 5-cell

Nb pulsed project CERN

SCRF Accelerators / Europe

Page 32: Thématique  :  Accélérateurs

Déploiement des accélérateursRF Supra dans le monde

Collaboration TTC55 Instituts:

Laboratoires d’idées

Page 33: Thématique  :  Accélérateurs

Projet ThomX

ThomX : source de lumière X (démonstrateur) à haut flux basée sur la rétrodiffusion Compton.

Plus de 50 chercheurs et ingénieurs pour un total de 1252,5 hommes.mois pour un programme qui se terminera en 2020.

Le LAL représente ~ 80% du projet pour un coût total environné de 20 M€ pour le laboratoire. 40 Ingénieurs/Chercheurs, 16 Techniciens spécialisés en considérant les deux phases de l’EQUIPEX (équipement et fonctionnement).

Le LAL assure la conduite du projet auquel SOLEIL est associé.

Page 34: Thématique  :  Accélérateurs

Ez mec p / e 100GV/m

Ez 100MV/m

angl

e y’

énergie E

0

1x106

2x106

3x106

4x106

5x106

200 400 6000

0.25

0.50

0.75

1.00

Energy (MeV)

dN

/dE

(e

lec

tro

ns

/Me

V)

Ac

ce

pta

nc

e

apres qqs mm

dans un plasma

A présent: avec lasers Ti-Saph (100TW, 30fs)

• accélération d’électrons de 0 à 200 MeV-1 GeV

• dispersion en E: qqs pourcent

• charges de paquets: 10-100 pC

• émittance (RMS normalisée) ~ 2mm.mrad

LLR/LOA 2011

Accélération e- par Sillage Laser Hauts Gradients diminuer la taille des «structures accélératrices

Page 35: Thématique  :  Accélérateurs

Initiative Majeure (via EQUIPEX):

Centre Interdisciplinaire Lumière EXtrême

12 partenaires Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas (LPGP)Fédération Lumière Matière Fédération (LUMAT LASERIX)‐Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique Graduate SchoolLaboratoire de l’accélérateur linéaire (LAL) Synchrotron SoleilLaboratoire d’Optique Appliquée (LOA)Laboratoire Leprince Ringuet (LLR)‐Centre de Physique Théorique (CPhT)Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses (LULI) Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS)Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers (IRFU)

Laser Apollon 10 PW (20M€) + 2 salles expérimentales équipées, blindées + infrastructure (20M€) installé à l’Orme des Merisiers (ancien ALS), exploitation prévue

à partir de 2015.

HE3:Laser

APOLLON10 PW

fff

HE0: Long focal area

HE1: Short focal area

Surface réhabilitée Laser: 700m²Aire courtes focales: 250m²Aire longues focales: 450m²Bureaux etc... : ~1000m²

IN2P3+Irfu+SOLEIL:

• Accélération d’électrons

• Diagnostic/transport des électrons

• Dynamique de faisceau dans LWFA

Tunnel ALS

Page 36: Thématique  :  Accélérateurs

o accélération d’ionso génération harmoniques (HHG), laser X o physique hauts champs (solid, gas, vacuum)o cibles solides mais non exclusivemento focales courtes : f=1–5 mo intensité: a0≈10–10000 o contraste temporel très élévé

o f. laser 1: 15fs-qq ps/ 150J-70J o f. laser 2: 15fs-qq Ps/ 15J-2Jo f. non-compressé 200J-0J o f. sonde: 15fs 0.2-1J

salle HE1 : courtes focales salle HE3 :APOLLON LASER

salle HE0 : longues focales

o cibles gazeuseso focales longues : f=10–20 mo intensité modérée: a0≈1–10o bon contrast

o accélération d’électrons

o mono-étage et multi-étage

o régimes «bulle» et quasi-linear

o production de photons X

o ondulateur plasma («betatron»)

o ondulateur magnétique avec ‘seeding’

o diff. Thomson non-lin.; Compton inverse

o HHG (sur cibles gazeuses)

Thèmes de Recherche

1) la LWFA est-elle utilisable pour construire des «vrais» accélérateurs?

2) Etude de la physique de l’accélération par onde plasma, pertinente aussi pour Plasma WFA (excitation / e-), PDWFA (excitation /

protons)

Programme expérimental de CILEX

Page 37: Thématique  :  Accélérateurs

Phasage du programme expérimental électrons

Phase 1a @ T0 (=2015): bubble regime, 1 laser : 150J–70J, 15-150fs (+ probe 15fs, 0.2-1J) homogeneous plasma, laser guiding by relativistic autofocussing , self

injection Phase 1b @ T0+1y (=2016): 

colliding pulse injection, cold injection  2 laser beams : 100 mJ/[150-70J]

Phase 2 @ T0+2y (=2017?): two stage acceleration with all optical injector 3 laser beams : 100mJ/6J/[10-100J]

Phase 3a (>2019) (to be funded) injection of e- beam into undulator (spontaneous emission as beam

diagnostics)

o conception intégrée des dispositifs, des plus simples aux plus complexes, selon une approche système accélérateur,

o équipement résident et généraliste.

Page 38: Thématique  :  Accélérateurs

exemple: Phase 2 (2017):accélération multi-étage « tout-optique»

Régime quasi-linéaire :

Intensités laser (Wm-2) plus faibles

Amplification de l’onde plasma plus faible, champ accélérateur moindre

Convient pour e+ et e–, nécessaire à haut g

Régime non-linéaire «bulle»

• déferlement -> génération paquet e–

• champ accélérateur maximum, focalisation au pic du champ

• convient pour les e– seulement.

LWFA LWFA e– dumpe– transp. +diagn. e– diagn.

Page 39: Thématique  :  Accélérateurs

Conclusions (1/3)La Physique et la Technologie des accélérateurs forment une discipline scientifique qui est au service d’applications très diverses dans les domaines des sciences de la matière, des sciences et technologies de l’énergie, des sciences du vivant, et d’applications spécifiques dans les domaines de la santé et de l’industrie. Dans son volet de Recherche et Développement, la discipline procède aussi bien par une démarche de recherche scientifique fondamentale visant à produire des percées de caractère révolutionnaire (RFQ, stockage d’anti‐particules, laser à électrons libres, accélération laser et plasma), que par une démarche technologique évolutive visant à pousser les limites des performances des systèmes accélérateurs dans un cadre économique réaliste (aimants et cavités supraconductrices, onduleurs de courte longueur d’onde, photo‐injecteurs RF, schémas de collision ‘en crabe’, etc…).Dans la démarche de R&D scientifique, la communauté des laboratoires français d’accélérateurs est peu représentée. Elle est au meilleur niveau mondial dans la démarche de R&D technologique. Dans son volet de construction et d’opération d’accélérateurs, cette discipline fait appel à des démarches de conduite de projet et mène à la fabrication de systèmes accélérateurs majoritairement dans l’industrie mais également en laboratoires, et assure le pilotage d’accélérateurs. Ces aspects sont maîtrisés à un excellent niveau par les laboratoires français.

Page 40: Thématique  :  Accélérateurs

Conclusions (2/3)En termes de projets d’accélérateurs impliquant les laboratoires français, la décennie 1999‐2008, a été dominée par la fin de la construction du LHC et, mis à part SOLEIL, le début de la construction de SPIRAL2. En contrepartie, elle a été très riche en projets et programmes de R&D : les Programmes Cadres européens FP5 (Eurisol, HP‐NIS pour les sources H‐) et FP6 (CARE, Eurisol, EUROTeV, EUROFEL et EUROTRANS), dotant les laboratoires français de l’ordre de 15 M€ de subvention de la Commission Européenne et renforçant la culture de collaboration multi‐laboratoires, le projet CLIC‐CTF3 piloté par le CERN, la R&D pilotée par le GDE‐ILC sur les accélérateurs FLASH et ATF2, et la construction de plates‐formes de R&D de laboratoire et autres infrastructures (SupraTech, IPHI, GUINEVERE). Ces programmes furent en grande partie définis par la préparation des projets accélérateurs inclus dans la liste ESFRI tels que FAIR, XFEL, ESS, HL‐LHC et ILC‐CLIC. La décennie 2009‐2018 est au contraire très riche en construction de projets accélérateurs tels que SPIRAL2, LINAC4, XFEL, FAIR, IFMIF-EVEDA, ThomX, SuperB et plus tard HL-LHC, ESS et MYRRHA. La concrétisation de la construction de ces nombreux accélérateurs consacre du travail de Recherches et Développements effectué dans la période précédente, et s’appuie très largement sur des contributions en nature ciblant les compétences de notre communauté dans les domaines d’excellence que constituent la Supraconductivité appliquée aux accélérateurs et aux aimants, les structures radiofréquence, les sources et injecteurs de faisceau d’ions de haute intensité, les canons à électrons et des sources de positrons innovantes. Actuellement, ces projets mobilisent la plus grande partie des personnels scientifiques et techniques des laboratoires accélérateurs français avec pour conséquences:• d’une part la transition abrupte en type d’activité et en mode d’organisation de ces

personnels,• d’autre part l’étiage des ressources humaines affectées à la R&D Accélérateurs tel

que la poursuite même des deux principaux programmes européens du Plan Cadre FP7 (EuCARD et MAX) en devient difficile.

Page 41: Thématique  :  Accélérateurs

Conclusions (3/3)

A contrario, le financement des activités de R&D est problématique. Il passe presque exclusivement par la réponse à des appels d’offres de plus en plus nombreux (FP7, ERC, Grand Emprunt, ANR, Département, Région, etc…) dont le taux de succès est globalement faible et récompense mal l’investissement de nos ingénieurs dans la constitution des dossiers. Pour l’avenir, il est souhaitable de rééquilibrer les deux types d’activité afin que les laboratoires français développent leurs compétences et leurs moyens dans des domaines de R&D majoritairement orientés vers, ou inspirés par les besoins de la communauté des physiciens nucléaires et des physiciens des particules, tout en restant ouvert à d’autres applications par des développements connexes et de pointe. Lorsque la feuille de route des accélérateurs suscités par ces deux disciplines sera établie, le rôle et le mode d’implication des laboratoires français devra être analysé en accord avec les autres centres de recherche mondiaux, en particulier le CERN, et en fonction de l’expérience passée.

Page 42: Thématique  :  Accélérateurs

Points de Discussion

• Ressources / Personnels• Ressources / Infrastructures• Enseignement / Thèses• Valorisation• Dynamique faisceau

Page 43: Thématique  :  Accélérateurs

BACK UP SLIDES

Page 44: Thématique  :  Accélérateurs

Que retirer des statistiques?• ISIS-INSTITUT : important pour suivre l’activité accélérateurs à l’IN2P3 et anticiper

(analyse métier possible) mais l’outil est à reprendre pour le rendre plus efficace (en cours)

• Met en évidence l’importance du domaine pour de nombreux labos de l’IN2P3 et la tendance à l’augmentation des ETP avec l’apparition de nouveaux projets (ESS, XFEL, MYRRHA…)

• La pyramides des âges met aussi en évidence une tension prévisible dans les années à venir

• La montée en puissance des nouveaux projets va rendre la R&D plus difficile à maintenir à court/moyen terme CENBG

3%

CSNSM2% IPHC

4%

IPNO25%

IPNL2%

GANIL33%

LAL12%

LAPP3%

LLR1%

LPCC1%

LPNHE0%

LPSC12% SUBATECH

2%

ETP Accélérateurs 2009 ISISTOTAL 287• ETP recensés : 287

• GANIL (IN2P3): ~35%, stable• IPNO: ~25%, stable• LAL: ~11%,

baisse apparente (affectation sur les projets à reprendre)

• LPSC: ~13% augmentation due à la

construction de GUINEVERE ETP accélérateurs en 2009 (IN2P3) Etude B. Launé

Page 45: Thématique  :  Accélérateurs

Quelques statistiques : IN2P3

• Utilisation d’ISIS-INSTITUT pour obtenir des informations sur les contributions en RH aux activités et projets de R&D et de construction dans le domaine des accélérateurs

• ISIS-INSTITUT est un logiciel IN2P3 d’aide à la gestion de projet

• Résultats présentés proviennent d’une étude effectuée par Bernard Launé, responsable IN2P3 du Pôle Accélérateurs

• Chiffres à considérer avec précaution compte-tenu de la fiabilité des données saisies dans ISIS (refonte d’ISIS en cours)

• Statistiques disponibles seulement pour les années • 2007• 2009

car problème de fiabilité des données pour 2008 et 2010 (2011 pas encore achevé)

Page 46: Thématique  :  Accélérateurs

ETP accél. 2009 (IN2P3) pour un total de 287

• CONSTRUCTION/EXPLOITATION : 200• SPIRAL2 : 87• GANIL : 56• ALTO : 22• GUINEVERE : 18• XFEL : 5• JANNUS : 5• LHC : 5• FAIR : 1• Van de Graaf : 1

• INFRASTRUCTURES : 9

• THEORIE : 1

• ENSEIGNEMENT : 1

• R & D : 45• CARE: 13• CLIC : 6• PHIL : 8• EUROTRANS : 4• EUROTEV : 4• R&D générique : 3• ECR 60 GHz : 2• IPHI : 2• Super B : 1• Source ITER : 1 • ECOMI : 1

• INTERDISCIPLINAIRE : 24

• VALORISATION : 7

Forte prédominance de la construction/exploitation au détriment de la R&D :- consécration du travail de R&D effectué jusqu’en ~2008- mais transition abrupte en type d’activité et mode d’organisation pour la

construction - risque de perte de compétences à moyen et long terme pour la R&D accélérateurs

Page 47: Thématique  :  Accélérateurs

ETP accélérateurs en 2007 (IN2P3) :par laboratoire (%)

Etude B. Launé

• ETP recensés : 267

• 4 principaux labos :

• GANIL (IN2P3): ~35%

• IPNO: ~27%

• LAL: ~15%

• LPSC: ~9%

CENBG4%

CSNSM2%

GANIL34%

IPHC2%IPNL

2%

IPNO27%

LAL15%

LAPP 3%

LLR1%

LPCC0%

LPNHE0%

LPSC9%

SUBATECH1%

ETP Accélérateurs 2007 ISISTOTAL 267

Page 48: Thématique  :  Accélérateurs

ETP accélérateurs en 2009 (IN2P3) : par laboratoire (%)

Etude B. Launé

• ETP recensés : 287

• GANIL (IN2P3): ~35%, stable

• IPNO: ~25%, stable

• LAL: ~11%, baisse apparente (affectation

sur les projets à reprendre)

• LPSC: ~13% augmentation due à la

construction de GUINEVERE

ETP Accélérateurs 2009 ISISTOTAL 287

IPNO25%

IPNL2%

GANIL34%

LAL11%

SUBATECH2%

CENBG3%LPNHE

0%

LPCC1%

LPSC13%

LAPP3%

IPHC4%

CSNSM2%

LLR0%

Page 49: Thématique  :  Accélérateurs

ETP accélérateurs en 2009 (IN2P3) : par activité / projet

Interdiscplinaire; 24

ALTO; 22

CARE; 13COMIC; 2

CLIC; 6

Cryo; 3

ECOMI; 1

ECR60GHz; 2

En-seigne-ment; 1EuroTeV; 4

Eurotrans; 4

FAIR; 1

GANIL; 56

GUINEVERE; 18IPHI; 2Jannus; 5

LHC; 5PHIL; 8

R&DAcc; 3

SPIRAL2; 87

SourceITER; 1 SuperB; 1SupraTech; 6 ThéorieAcc; 1 ValoCryo; 1ValoAcc; 4 VandeGraaf; 1XFEL; 5

Etude B. Launé

Page 50: Thématique  :  Accélérateurs

Pyramide des âges en 2009 (IN2P3)

Accélérateurs IN2P3 ISIS 2009ETP :287 Agents :444

0

10

20

30

40

50

60

70

80

15-19 20-24 25-29 30-34 35-39 40-44 45-49 50-54 55-59 60-64 65-69

Etude B. Launé

• Moyenne ~ 44 ans• Décalage vers les âges élevés

tension prévisible dans les années à venir

Page 51: Thématique  :  Accélérateurs

ETP accélérateurs en 2009 (IN2P3) :Projet SPIRAL2

Etude B. Launé

CENBG

CSNSMIP

HCIP

NOIP

NL

GANIL

LAL

LAPP

LLR

LPCC

LPNHE

LPSC

SUBATECH

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

4

0.1

8.25

20.97

2.03

40.59

0 0 02.13

0

8.4

0.4

ETP SPIRAL2 IN2P3 ISISTOTAL 87

Page 52: Thématique  :  Accélérateurs

ETP accélérateurs en 2009 (IN2P3) :par laboratoire

• GANIL 95,5 • IPNO 70,2 • LPSC 33,7 • LAL 32,9 • IPHC 11,8 • CENBG 9,5 • LAPP 9,4• SUBATECH 6,8• IPNL 5,7 • CSNSM 5,3 • LPCC 3,9 • LLR 1,4 • LPNHE 0,9

• TOTAL : 287

Page 53: Thématique  :  Accélérateurs

Enseignement sur les accélérateurs - 1

• Ecole JUAS (Joint Universities Accelerator School) • physique des accélérateurs (60 h) + technologies & applications (60 h) • 12 universités partenaires, 13 labos/industriels sponsors

• Université Paris Sud, 2 Masters offrent un enseignement sur la physique des accélérateurs : • APIM (Accélérateurs de Particules et Interaction avec la Matière)

90 h d’enseignement sur les accélérateurs + choix de 2 autres modules de 20 h chacun

• NPAC (Noyaux, Particules, Astroparticules et Cosmologie)18 h d’introduction aux accélérateurs + 30 h de spécialisation

• Université Joseph Fourier – INPG (Grenoble), 2 Masters offrent la possibilité aux étudiants d’intégrer des modules de l’école JUAS

• PSA (Physique Subatomique et Astroparticules)• EP (Energétique Physique)

Page 54: Thématique  :  Accélérateurs

Enseignement sur les accélérateurs - 2

• Pour tirer le meilleur parti de ces Masters, c’est-à-dire :• effectifs étudiants pour NPAC• étendue de l’enseignement pour APIM• formation technologique et proximité du CERN pour JUAS

des actions d’amélioration possibles sont: • coordination entre les parcours parisiens et le JUAS• augmentation du nb d’heures de cours de NPAC• profiter des actions de la SFP interdivision accélérateurs et les soutenir

• D’autre part, pour assurer l’encadrement et l’évaluation des thèses, il est important : • d’augmenter le nb de titulaires d’une HDR

Page 55: Thématique  :  Accélérateurs

Enseignement sur les accélérateurs : statistiques

Recensement TIARA (P. Nghiem)

• Décroissance nette pour les niveaux Undergraduate et Masters• Effectifs doctorants et post-doctorants stables, dont étudiants étrangers (en

augmentation?)

• Pénurie reflétée au niveau des concours CNRS : nb très limité de candidats (IR ou CR) Augmenter le nb de thèses, notamment par une meilleure visibilité de nos activités:

mise en exergue du caractère scientifique (non technique) de nos métiers et de l’envergure des infrastructures accélérateurs en France

Page 56: Thématique  :  Accélérateurs

Valorisation• Afin de valoriser les travaux effectués par nos instituts, il est légitime de se

questionner sur les domaines d'applications possibles des technologies dont nous avons la maîtrise, mais les sujets de valorisation sont nombreux et variés : • production de radio-isotopes pour l’imagerie médicale• applications des implanteurs basés sur les sources d’ions• générateurs de neutrons pour la détection de matières dangereuses• analyse et traitement de surface dans de nombreux domaines (cibles, isolants,

supra, …)• etc …

• Quels sont les besoins de la société ? Sommes-nous capables d’identifier une application pour laquelle notre positionnement serait avantageux ?

• Il est facile d’inventorier et de se questionner sur les multiples domaines d’applications des accélérateurs, il est beaucoup plus difficile d’y apporter des réponses pertinentes

• Aussi pourrait-il être judicieux de mettre en place, avec le soutien de nos directions, une cellule de travail, formée par un groupe de nos experts, afin d’étudier

l’état de l’art et d’identifier les niches possibles où nos instituts pourraient se positionner pour à la fois faire profiter la société de nos travaux et augmenter nos ressources propres pour aider au développement de programmes qui ont du mal à trouver un financement interne.  (ces programmes peuvent être soutenu par les futures SATT ou comme des structures comme GRAVIT à GRENOBLE qui soutiennent déjà des actions sur les sources d’ions, l’électronique et les logiciels)