Le champ invariant de spin (ISF), et son évolution, informe en profondeur sur le comportement de la polarisation dans un accélérateur, permet de calculer la polarisation d'équilibre dans les accélérateurs d'éléctron, mais est également utile dans l'étude et la compréhension des machines protons. La luminosité croissante, le plus haute sensibilité des expériences et la prise en compte d'effet auparavant négligé rendent nécessaire l'amélioration de la précision du calcul de l'ISF. Le travail de cette thèse propose plusieurs méthodes de calcul numérique du Champ Invariant de Spin, basées sur l'intégration numérique de la trajectoire, permettant une précision accrue des effets de la dynamique orbitale sur la dynamique de spin, mais également de prendre en compte des effets souvent compliqués à étudier et habituellement négligés, comme la dynamique non linéaire, les effets faisceau-faisceau, etc. Ces effets n'ont pas été inclues, car l'élaboration des méthodes a demandé beaucoup de temps, mais ils sont une perspectives de recherche dans le domaine. L'algorithme intitulé stroboscopic averaging a été implémenté pour calculer l'ISF. Une implémentation "simple" conduit à des temps de calcul trop long pour être utile. Néanmoins, une implémentation "backward" permet de rendre le calcul de l'ISF en un point dépendant d'une unique trajectoire, et donc de paralèlliser le calcul. Il a été suggéré par ailleurs que le "spin tune" peut être calculé par analyse spectrale. Un algorithme a été implementé dans ce sens, et calcul la fréquence de précession du spin sur une trajéctoire donnée. Cette idée mène également à une méthode alternative de calcul de l'ISF. La combinaison de ces différentes méthodes permet une meilleure compréhension des effets en jeu dans la dynamique du spin. / Invariant Spin Field (ISF), and its evolution, gives an acute insight in the polarization behaviour of a polarized accelerator, allows to estimate the equilibrium polarization of electron accelerators, an is also useful in the design and understanding of proton machines. The increased luminosity of colliders, the higher precision of the experiments, the inclusion of previously neglected effects, marks a necessary step forward in ISF precision. The present thesis proposes different methods to compute Invariant Spin Field, based on particle tracking, allowing a better precision in the orbital dynamic effect on the spin dynamic, as well as the inclusion of effects complicated to study and usually neglected, such as non linear dynamic effects, Beam-Beam effect, etc. The inclusion of these different effects has not been done, because elaboration of new methods is quite demanding. This is a candidate for future research. We implemented the Stroboscopic Averaging algorithm to compute ISF. The "simple" implementation leads to a non-managable computing time, but the "backward" implementation solves the problem by making the computation of the ISF dependent on only one orbital trajectory, thus allowing a parallelisation of the algorithm. It has been suggested that the spin tune could be computed through a spectral analysis. We implemented an algorithm for this purpose, allowing us to compute the spin tune form the spin-orbit trajectory. Following these ideas, we also proposed new methods based on a prior knowledge of the spin tune, to compute ISF. Combining the different methods leads to a better understandings of the spin dynamic, as each method provides a different point of view.

Ce travail de thèse introduit une nouvelle méthode pour la caractérisation radiologique des déchets très faiblement radioactifs produits au sein de l’Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire (CERN). La méthode se base sur : 1. le calcul des radionucléides en présence, i.e. les radionucléides qui peuvent être produits lors de l’interaction des particules avec la matière et les structures environnantes les accélérateurs, 2. la mesure directe des émetteurs gamma et, 3. la quantification des émetteurs alpha et beta purs et de rayons X de faible énergie, appelés radionucléides difficile-a-mesurer (DTM), en utilisant les méthodes dites des «scaling factor» (SF), «correlation factor» (CF) et activité moyenne (MA). La première phase du processus de caractérisation est le calcul des radionucléides en présence à l’aide de codes de calcul analytiques ou Monte Carlo. Après le calcul de l’inventaire radiologique, les radionucléides émetteurs gamma sont mesurés par spectrométrie gamma dans chaque colis de la population. L’émetteur gamma dominant, appelé « key nuclide » (KN), est identifié. La méthode dite des «scaling factors» permet d’estimer l’activité des radionucléides DTM après évaluation de la corrélation entre l’activité des DTM et l’activité de l’émetteur gamma dominant obtenue à partir d’échantillons. Si une corrélation existe, l’activité des radionucléides DTM peut être évaluée grâce à des facteurs de corrélation expérimentaux appelés « scaling factors », sinon l’activité moyenne obtenue à partir d’échantillons prélevés dans la population est attribuée à chaque colis. Lorsque les activités des émetteurs alpha et beta purs et des émetteurs X de faible énergie ne peuvent pas être estimées par mesure la méthode des « correlation factors » s’applique. La méthode des « correlation factors » se base sur le calcul de corrélations théoriques entre l’émetteur gamma dominant et les radionucléides de très faible activité. Cette thèse décrit en détail la nouvelle technique de caractérisation radiologique, montre un cas d’application complet et présente les résultats de l’industrialisation de la méthode ayant permis la caractérisation radiologique de plus de 1000 m3 de déchets radioactifs au CERN entre 2015 et 2017. / This thesis introduces a new method to characterize metallic very-low-level radioactive waste produced at the European Organization for Nuclear Research (CERN). The method is based on: 1. the calculation of a preliminary radionuclide inventory, which is the list of the radionuclides that can be produced when particles interact with a surrounding medium, 2. the direct measurement of gamma emitters and, 3. the quantification of pure-alpha, pure-beta and low-energy X-ray emitters, called difficult-to-measure (DTM) radionuclides, using the so-called scaling factor (SF), correlation factor (CF) and mean activity (MA) techniques. The first stage of the characterization process is the calculation of the radionuclide inventory via either analytical or Monte Carlo codes. Once the preliminary radionuclide inventory is obtained, the gamma-emitting radionuclides are measured via gamma-ray spectrometry on each package of the waste population. The major gamma-emitter, called key nuclide (KN), is also identified. The scaling factor method estimates the activity of DTM radionuclides by checking for a consistent and repeated relationship between the key nuclide and the activity of the difficult to measure radionuclides from samples. If a correlation exists the activity of DTM radiodionuclides can be evaluated using the scaling factor otherwise the mean activity from the samples collected is applied to the entire waste population. Finally, the correlation factor is used when the activity of pure-alpha, pure-beta and low-energy X-ray emitters is so low that cannot be quantified using experimental values. In this case a theoretical correlation factor is obtained from the calculations to link the activity of the radionuclides we want to quantify and the activity of the key nuclide. The thesis describes in detail the characterization method, shows a complete case study and describes the industrial-scale application of the characterization method on over 1’000 m3 of radioactive waste, which was carried out at CERN between 2015 and 2017.

Un des défis pour les futurs projets en physique basé sur les accélérateurs de particules est le besoin de faisceaux à hautes intensités. Les effets collectifs sont cependant une limitation majeure qui peuvent détériorer la qualité du faisceau ou limiter l'intensité maximale à cause des pertes. Le CERN SPS, qui est le dernier injecteur pour le LHC, n'est actuellement pas en mesure de délivrer les faisceaux requis pour les futurs projets à cause des instabilités longitudinales.Les nombreux équipements dans la machine (les cavités RF accélératrices, les aimants d'injection et d'extraction, les brides de vide, etc.) entrainent des variations dans la géométrie et les matériaux de la chambre dans laquelle le faisceau transite. Les interactions électromagnétiques internes au faisceau (charge d'espace) et du faisceau avec son environnement sont représentées par une impédance de couplage qui affectent le mouvement des particules et mènent à des instabilités pour des intensités élevées de faisceau. Par conséquent, les sources d'impédance critiques doivent être identifiées et des solutions évaluées. Pour avoir un modèle d'impédance fiable d'un accélérateur, les contributions de tous les équipements dans l'anneau doivent être évaluées à partir de simulations et de mesures électromagnétiques. Dans cette thèse, le faisceau lui-même est utilisé comme une sonde de l'impédance de la machine en mesurant le déplacement de la fréquence synchrotronique avec l'intensité et la longueur du paquet, ainsi que la modulation de longs paquets injectés avec la tension RF éteinte. Ces mesures sont comparées avec des simulations par macroparticules en utilisant le modèle d'impédance du SPS existant, et les déviations sont étudiées pour identifier les sources d'impédance manquantes pour raffiner le modèle.L'étape suivante consiste à reproduire en simulations les instabilités mesurées pour un paquet unique durant l'accélération. Grâce à l'amélioration du modèle d'impédance, une meilleure compréhension des mécanismes de l'instabilité est rendue possible pour les faisceaux de protons et d'ions. Finalement, le modèle pour les simulations étant digne de confiance, il est utilisé pour estimer les caractéristiques du faisceau après les améliorations prévues du SPS pour le projet High Luminosity-LHC au CERN. / One of the main challenges of future physics projects based on particle accelerators is the need for high intensity beams. However, collective effects are a major limitation which can deteriorate the beam quality or limit the maximum intensity due to losses. The CERN SPS, which is the last injector for the LHC, is currently unable to deliver the beams required for future projects due to longitudinal instabilities.The numerous devices in the machine (accelerating RF cavities, injection and extraction magnets, vacuum flanges, etc.) lead to variations in the geometry and material of the chamber through which the beam is travelling. The electromagnetic interaction within the beam (space charge) and of the beam with its environment are described by a coupling impedance which affects the motion of the particles and leads to instabilities for high beam intensities. Consequently, the critical impedance sources should be identified and solutions assessed. To have a reliable impedance model of an accelerator, the contributions of all the devices in the ring should be evaluated from electromagnetic simulations and measurements.In this thesis, the beam itself is used to probe the machine impedance by measuring the synchrotron frequency shift with intensity and bunch length, as well as the line density modulation of long bunches injected with the RF voltage switched off. These measurements are compared with macroparticle simulations using the existing SPS impedance model, and the deviations are studied to identify missing impedance sources and to refine the model.The next important step is to reproduce in simulations the measured single bunch instabilities during acceleration, in single and double RF system operation. Thanks to the improved impedance model, a better understanding of instability mechanisms is achieved for both proton and ion beams.Finally, as the simulation model was shown to be trustworthy, it is used to estimate the beam characteristics after the foreseen SPS upgrades the High Luminosity-LHC project at CERN.

La physique des particules élémentaires, aussi appelé physique des hautes énergies, est l'étude de l'infiniment petit, popularisée récemment par la découverte de nouvelles particules fondamentales permettant de consolider notre connaissance de la matière. Pour réaliser des mesures à une échelle aussi réduite, une méthode consiste à augmenter l’énergie des constituants de la matière, à l'aide d'accélérateur de particules, puis de les briser pour révéler leur constitution. Au-delà de l'intérêt en termes de physique expérimentale, réaliser des expériences de ce type est devenu une prouesse technologique grandissante avec les niveaux d’énergie atteints. La complexité de l’expérience CMS, cadre dans laquelle ce travail a été réalisé, donne une bonne mesure des défis technologiques relevés.<p>Afin d'affiner encore notre connaissance des processus mis en jeu lors collision de particules dans CMS, une mise à niveau du détecteur est prévue avant la fin de cette décennie. Certains sous-détecteurs actuellement installés, et notamment le spectromètre à muon dans la zone des bouchons, sont d’ores et déjà identifiés comme offrant des performances trop faibles pour l'augmentation du nombres d’événements prévu après cette mise à jour. Ce travail propose de réaliser une étude de faisabilité sur l'utilisation d'une technologie alternative pour ce sous-détecteur, notamment le Triple-GEM, pour combler ces limitations.<p>Une première partie de ce travail consiste en l'étude de cette nouvelle technologie de détecteur à gaz. Cependant, la mise en œuvre de cette technologie conduit à des modifications dans le système d'acquisition de données de CMS. La situation actuelle puis les implications d'un point de vue technique des modifications sont donc détaillées par la suite. Enfin, après avoir identifié les composants et les solutions permettant la collecte de résultats à l’échelle de l'ensemble du sous-détecteur, un système d'acquisition de données similaire a été réalisé et est décrit dans une dernière partie de ce travail. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La réduction du cout de construction et d’exploitation des futurs accélérateurs d particules, a grande et petite échelles, dépend du développement de nouveaux matériaux pour les surfaces actives des structures supraconductrices en radiofréquence (SRF). Les propriétés SRF sont essentiellement un phénomène de surface vu que la profondeur de pénétration (profondeur de pénétration de London, λ) des micro-ondes (RF) est typiquement de l’ordre de 20 à 400 nm en fonction du matériau. Lorsque les procédés de préparation de surface sont optimises, la limite fondamentale du champ RF que les surfaces SRF peuvent supporter est le champ RF maximum, Hc₁, au-delà duquel le flux magnétique commence à pénétrer la surface du supraconducteur. Le matériau le plus utilise pour des applications SRF est le niobium (Nb) massif, avec un champ Hc₁ de l’ordre de 170 mT, qui permet d’atteindre un champ accélérateur de moins de 50 MV/m. Les meilleures perspectives d’amélioration des performances des cavités SRF sont liées à des matériaux et méthodes de production produisant la surface SRF critique de façon contrôlée. Dans cette optique, deux avenues sont explorées pour utiliser des couches minces pour augmenter les performances des structures SRF au-delà du Nb massif, en monocouche ou en structures multicouches Supraconducteur-Isolant-Supraconducteur (SIS) : La première approche est d’utiliser une couche de Nb déposée sur du cuivre (Nb/Cu) à la place du Nb massif. La technologie Nb/Cu a démontré, au cours des années, être une alternative viable pour les cavités SRF. Toutefois, les techniques de dépôt communément utilisées, principalement la pulvérisation magnétron, n’ont jusqu’à présent pas permis de produire des surfaces SRF adaptées aux performances requises. Le récent développement de techniques de dépôt par condensation énergétiques, produisant des flux d’ions énergétiques de façon contrôlée (telles que des sources d’ions ECR sous ultravide) ouvrent la voie au développement de films SRF de grand qualité. La corrélation entre les conditions de croissance, l’énergie des ions incidents, la structure et les performances RF des films produits est étudiée. Des films Nb avec des propriétés proches du Nb massif sont ainsi produits. La deuxième approche est basée sur un concept qui propose qu’une structure multicouche SIS déposée sur une surface de Nb peut atteindre des performances supérieures à celles du Nb massif. Bien que les matériaux supraconducteurs à haute Tc aient un champ Hc₁ inférieur à celui du Nb, des couches minces de tels matériaux d’une épaisseur (d) inférieure à la profondeur de pénétration voient une augmentation de leur champ parallèle Hc₁ résultant au retardement de la pénétration du flux magnétique. Cette surcouche peut ainsi permettre l’écrantage magnétique de la surface de Nb qui est donc maintenue dans l’état de Meissner à des champs RF bien plus importants que pour le Nb massif. La croissance et performance de structures multicouches SIS basées sur des films de NbTiN, pour le supraconducteur, et de l’AlN, pour le diélectrique, sont étudiées. Les résultats de cette étude montrent la faisabilité de cette approche et le potentiel qui en découle pour l’amélioration des performances SRF au-delà du Nb massif. / The minimization of cost and energy consumption of future particle accelerators, both large and small, depends upon the development of new materials for the active surfaces of superconducting RF (SRF) accelerating structures. SRF properties are inherently a surface phenomenon as the RF only penetrates the London penetration depth λ, typically between 20 and 400 nm depending on the material. When other technological processes are optimized, the fundamental limit to the maximum supportable RF field amplitude is understood to be the field at which the magnetic flux first penetrates into the surface, Hc₁. Niobium, the material most exploited for SRF accelerator applications, has Hc₁~170 mT, which yields a maximum accelerating gradient of less than 50 MV/m. The greatest potential for dramatic new performance capabilities lies with methods and materials which deliberately produce the sub-micron-thick critical surface layer in a controlled way. In this context, two avenues are pursued for the use of SRF thin films as single layer superconductor or multilayer Superconductor-Insulator-Superconductor structures: Niobium on copper (Nb/Cu) technology for superconducting cavities has proven over the years to be a viable alternative to bulk niobium. However the deposition techniques used for cavities, mainly magnetron sputtering, have not yielded, so far, SRF surfaces suitable for high field performance. High quality films can be grown using methods of energetic condensation, such as Electron Cyclotron Resonance (ECR) Nb ion source in UHV which produce higher flux of ions with controllable incident angle and kinetic energy. The relationship between growth conditions, film microstructure and RF performance is studied. Nb films with unprecedented “bulk-like” properties are produced. The second approach is based on the proposition that a Superconductor/Insulator/Superconductor (S-I-S) multilayer film structure deposited on an Nb surface can achieve performance in excess of that of bulk Nb. Although, many higher-Tc superconducting compounds have Hc₁ lower than niobium, thin films of such compounds with a thickness (d) less than the penetration depth can exhibit an increase of the parallel Hc₁ thus delaying vortex entry. This overlayer provides magnetic screening of the underlying Nb which can then remain in the Meissner state at fields much higher than in bulk Nb. A proof of concept is developed based on NbTiN and AlN thin films. The growth of NbTiN and AlN films is studied and NbTiN-based multilayer structures deposited on Nb surfaces are characterized. The results from this work provide insight for the pursuit of major reductions in both capital and operating costs associated with future particle accelerators across the spectrum from low footprint compact machines to energy frontier facilities.