La mesure de l’émittance transverse du faisceau est fondamentale pour tous les accélérateurs, et en particulier pour les collisionneurs, son évaluation precise étant essentielle pour maximiser la luminosité et ainsi la performance des faisceaux de collision.Le rayonnement synchrotron (SR) est un outil polyvalent pour le diagnostic non-destructif de faisceau, exploité au CERN pour mesurer la taille des faisceaux de protons des deux machines du complexe dont l’énergie est la plus élevée, le SPS et le LHC où l’intensité du faisceau ne permet plus les techniques invasives.Le travail de thèse documenté dans ce rapport s’est concentré sur la conception, le développement, la caractérisation et l’optimisation des moniteurs de taille de faisceau basés sur le SR. Cette étude est fondée sur un ensemble de calculs théoriques, de simulation numériques et d’expériences conduite au sein des laboratoires et accélérateurs du CERN. Un outil de simulation puissant a été développé, combinant des logiciels classiques de simulation de SR et de propagation optique, permettant ainsi la caractérisation complète d’un moniteur SR de la source jusqu’au détecteur.La source SR a pu être entièrement caractérisée par cette technique, puis les résultats validés par observation directe et par la calibration à basse énergie basée sur les mesures effectuées avec les wire-scanners (WS), qui sont la référence en terme de mesure de taille de faisceau, ou telles que la comparaison directe avec la taille des faisceaux obtenue par déconvolution de la luminosité instantanée du LHC.Avec l’augmentation de l’énergie dans le LHC (7TeV), le faisceau verra sa taille diminuer jusqu’à atteindre la limite de la technique d’imagerie du SR. Ainsi, plusieurs solutions ont été investiguées afin d’améliorer la performance du système: la sélection d’une des deux polarisations du SR, la réduction des effets liés à la profondeur de champ par l’utilisation de fentes optiques et l’utilisation d’une longueur d’onde réduite à 250 nm.En parallèle à l’effort de réduction de la diffraction optique, le miroir d’extraction du SR qui s’était avéré être la source principale des aberrations du système a été entièrement reconçu. En effet, la détérioration du miroir a été causée par son couplage EM avec les champs du faisceau, ce qui a conduit à une surchauffe du coating et à sa dégradation. Une nouvelle géométrie de miroir et de son support permettant une douce transition en termes de couplage d’impédance longitudinale dans le beam pipe a été définie et caractérisée par la technique dite du “streched wire”. Egalement, comme méthode alternative à l’imagerie directe, un nouveau moniteur basé sur la technique d’interférométrie à deux fentes du SR, non limité par la diffraction, a également été développé. Le principe de cette méthode est basé sur la relation directe entre la visibilité des franges d’interférence et la taille de faisceau.Comme l’emittance du faisceau est la donnée d’intérêt pour la performance du LHC, il est aussi important de caractériser avec précision l’optique du LHC à la source du SR. Dans ce but, la méthode “K-modulation” a été utilisée pour la première fois au LHC en IR4. Les β ont été mesurés à l’emplacement de tous les quadrupoles et ont été évalués via deux algorithmes de propagation différents au BSRT et au WS. / Measuring the beam transverse emittance is fundamental in every accelerator, in particular for colliders, where its precise determination is essential to maximize the luminosity and thus the performance of the colliding beams.
 Synchrotron Radiation (SR) is a versatile tool for non-destructive beam diagnostics, since its characteristics are closely related to those of the source beam. At CERN, being the only available diagnostics at high beam intensity and energy, SR monitors are exploited as the proton beam size monitor of the two higher energy machines, the Super Proton Synchrotron (SPS) and the Large Hadron Collider (LHC). The thesis work documented in this report focused on the design, development, characterization and optimization of these beam size monitors. Such studies were based on a comprehensive set of theoretical calculations, numerical simulations and experiments.A powerful simulation tool has been developed combining conventional softwares for SR simulation and optics design, thus allowing the description of an SR monitor from its source up to the detector. 
The simulations were confirmed by direct observations, and a detailed performance studies of the operational SR imaging monitor in the LHC, where different techniques for experimentally validating the system were applied, such as cross-calibrations with the wire scanners at low intensity (that are considered as a reference) and direct comparison with beam sizes de-convoluted from the LHC luminosity measurements.In 2015, the beam sizes to be measured with the further increase of the LHC beam energy to 7 TeV will decrease down to ∼190 μm. In these conditions, the SR imaging technique was found at its limits of applicability since the error on the beam size determination is proportional to the ratio of the system resolution and the measured beam size. Therefore, various solutions were probed to improve the system’s performance such as the choice of one light polarization, the reduction of depth of field effect and the reduction of the imaging wavelength down to 250 nm.In parallel to reducing the diffraction contribution to the resolution broadening, the extraction mirror, found as the main sources of aberrations in the system was redesigned. Its failure was caused by the EM coupling with the beam’s fields that led to overheating and deterioration of the coating. A new system’s geometry featuring a smoother transition in the beam pipe was qualified in terms of longitudinal coupling impedance via the stretched wire technique. A comparison with the older system was carried out and resulted in a reduction of the total power dissipated in the extraction system by at least a factor of four.A new, non-diffraction limited, SR-based monitor based on double slit interferometry was designed as well as an alternative method to the direct imaging. Its principle is based on the direct relation between the interferogram fringes visibility and the beam size.Since the beam emittance is the physical quantity of interest in the performance analysis of the LHC, determining the optical functions at the SR monitors is as relevant as measuring the beam size. The “K-modulation” method for the optical function determination was applied for the first time in the LHC IR4, where most of the profile monitors sit. The βs at the quadrupoles were measured and via two different propagation algorithms the βs at the BSRT and the WS were obtained reducing significantly the uncertainty at the monitors location.

La mesure de l’émittance transverse du faisceau est fondamentale pour tous les accélérateurs, et en particulier pour les collisionneurs, son évaluation precise étant essentielle pour maximiser la luminosité et ainsi la performance des faisceaux de collision.Le rayonnement synchrotron (SR) est un outil polyvalent pour le diagnostic non-destructif de faisceau, exploité au CERN pour mesurer la taille des faisceaux de protons des deux machines du complexe dont l’énergie est la plus élevée, le SPS et le LHC où l’intensité du faisceau ne permet plus les techniques invasives.Le travail de thèse documenté dans ce rapport s’est concentré sur la conception, le développement, la caractérisation et l’optimisation des moniteurs de taille de faisceau basés sur le SR. Cette étude est fondée sur un ensemble de calculs théoriques, de simulation numériques et d’expériences conduite au sein des laboratoires et accélérateurs du CERN. Un outil de simulation puissant a été développé, combinant des logiciels classiques de simulation de SR et de propagation optique, permettant ainsi la caractérisation complète d’un moniteur SR de la source jusqu’au détecteur.La source SR a pu être entièrement caractérisée par cette technique, puis les résultats validés par observation directe et par la calibration à basse énergie basée sur les mesures effectuées avec les wire-scanners (WS), qui sont la référence en terme de mesure de taille de faisceau, ou telles que la comparaison directe avec la taille des faisceaux obtenue par déconvolution de la luminosité instantanée du LHC.Avec l’augmentation de l’énergie dans le LHC (7TeV), le faisceau verra sa taille diminuer jusqu’à atteindre la limite de la technique d’imagerie du SR. Ainsi, plusieurs solutions ont été investiguées afin d’améliorer la performance du système: la sélection d’une des deux polarisations du SR, la réduction des effets liés à la profondeur de champ par l’utilisation de fentes optiques et l’utilisation d’une longueur d’onde réduite à 250 nm.En parallèle à l’effort de réduction de la diffraction optique, le miroir d’extraction du SR qui s’était avéré être la source principale des aberrations du système a été entièrement reconçu. En effet, la détérioration du miroir a été causée par son couplage EM avec les champs du faisceau, ce qui a conduit à une surchauffe du coating et à sa dégradation. Une nouvelle géométrie de miroir et de son support permettant une douce transition en termes de couplage d’impédance longitudinale dans le beam pipe a été définie et caractérisée par la technique dite du “streched wire”. Egalement, comme méthode alternative à l’imagerie directe, un nouveau moniteur basé sur la technique d’interférométrie à deux fentes du SR, non limité par la diffraction, a également été développé. Le principe de cette méthode est basé sur la relation directe entre la visibilité des franges d’interférence et la taille de faisceau.Comme l’emittance du faisceau est la donnée d’intérêt pour la performance du LHC, il est aussi important de caractériser avec précision l’optique du LHC à la source du SR. Dans ce but, la méthode “K-modulation” a été utilisée pour la première fois au LHC en IR4. Les β ont été mesurés à l’emplacement de tous les quadrupoles et ont été évalués via deux algorithmes de propagation différents au BSRT et au WS. / Measuring the beam transverse emittance is fundamental in every accelerator, in particular for colliders, where its precise determination is essential to maximize the luminosity and thus the performance of the colliding beams.
 Synchrotron Radiation (SR) is a versatile tool for non-destructive beam diagnostics, since its characteristics are closely related to those of the source beam. At CERN, being the only available diagnostics at high beam intensity and energy, SR monitors are exploited as the proton beam size monitor of the two higher energy machines, the Super Proton Synchrotron (SPS) and the Large Hadron Collider (LHC). The thesis work documented in this report focused on the design, development, characterization and optimization of these beam size monitors. Such studies were based on a comprehensive set of theoretical calculations, numerical simulations and experiments.A powerful simulation tool has been developed combining conventional softwares for SR simulation and optics design, thus allowing the description of an SR monitor from its source up to the detector. 
The simulations were confirmed by direct observations, and a detailed performance studies of the operational SR imaging monitor in the LHC, where different techniques for experimentally validating the system were applied, such as cross-calibrations with the wire scanners at low intensity (that are considered as a reference) and direct comparison with beam sizes de-convoluted from the LHC luminosity measurements.In 2015, the beam sizes to be measured with the further increase of the LHC beam energy to 7 TeV will decrease down to ∼190 μm. In these conditions, the SR imaging technique was found at its limits of applicability since the error on the beam size determination is proportional to the ratio of the system resolution and the measured beam size. Therefore, various solutions were probed to improve the system’s performance such as the choice of one light polarization, the reduction of depth of field effect and the reduction of the imaging wavelength down to 250 nm.In parallel to reducing the diffraction contribution to the resolution broadening, the extraction mirror, found as the main sources of aberrations in the system was redesigned. Its failure was caused by the EM coupling with the beam’s fields that led to overheating and deterioration of the coating. A new system’s geometry featuring a smoother transition in the beam pipe was qualified in terms of longitudinal coupling impedance via the stretched wire technique. A comparison with the older system was carried out and resulted in a reduction of the total power dissipated in the extraction system by at least a factor of four.A new, non-diffraction limited, SR-based monitor based on double slit interferometry was designed as well as an alternative method to the direct imaging. Its principle is based on the direct relation between the interferogram fringes visibility and the beam size.Since the beam emittance is the physical quantity of interest in the performance analysis of the LHC, determining the optical functions at the SR monitors is as relevant as measuring the beam size. The “K-modulation” method for the optical function determination was applied for the first time in the LHC IR4, where most of the profile monitors sit. The βs at the quadrupoles were measured and via two different propagation algorithms the βs at the BSRT and the WS were obtained reducing significantly the uncertainty at the monitors location.

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.