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 un taille de faisceau de l'ordre du millimètre, cette densité de particule va, a 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 principale erreurs conduisant a une mauvaise reconstruction de l'emittance mesurée. le chapitre 6 quant a lui est dédié a 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 a 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 a 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.

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. / LINAC4 is part of the CERN Large Hadron Collider injector chain upgrade (LIU) and will accelerate H− ions from 45 keV to 160 MeV, it will be the first step of the upgrade with the replacement of LINAC2 in 2018. In order to measure beam profiles along the LINAC, several SEM grid and wire beam scanner (WS) monitors will be installed between the RF cavities from 50 MeV to 160 MeV. This thesis covers all monitor design aspects intended to cope with the required specifications. In particular, the overall measurement robustness, accuracy and sensitivity must be satisfied for different commissioning and operational scenarios. The physics mechanisms generating the wire signals and the wire resistance to beam induced thermal loads have been considered in order to determine the most appropriate monitor design in terms of wire material and dimensions. In addition, for the commissioning phase, a movable diagnostics test bench will be used to adjust the machine parameters during different stages of installation. One of the main instruments on this movable bench is a transverse emittance meter. This thesis presents the different studies done for the mechanical design of the slit and for the estimation of the systematical error on the measurement due to space charge and multiple scattering. To complete this section, the first results of the commissioning of the LINAC4 ions source and LEBT are presented, together with results form emittance measurement taken at the Spallation Neutron Source in Oak Ridge (Tennessee, USA). This last part of the thesis presents different studies done for a beam profiles and emittance measurements with a laser wire, with a large input from the SNS beam diagnostic group.

Im Rahmen eines grossangelegten Modernisierungsprogramms des CERN Beschleunigerkomplexes zur Steigerung der Intensität der Protonenstrahlen wird in einer ersten Phase der Protonenbeschleuniger Linac2 durch einen H− Ionen Beschleuniger Linac4 ersetzt. Um den Ionenstrahl an die einzelnen Beschleunigerelemente des Linac4 anzupassen sind drei Strahltransportsektionen notwendig. Diese sind aufgrund ihrer strahldynamischen Eigenschaften sensitive Stellen für ungewolltes Emittanzwachstum und Teilchenverluste und sind im Schwerpunkt dieser Thesis. Die erste Strahltransportsektion, „Low Energy Beam Transport”(LEBT), befindet sich zwischen der Teilchenquelle und dem ersten Beschleunigerelement, den Radiofrequency Quadrupole (RFQ). Im Rahmen dieser Thesis wurde das LEBT in Betrieb genommen, dessen Strahldynamik rekonstruiert und die Leistungslimitierungen experimentell bestimmt. Der zweite Teil der Thesis ist auf die Auslegung und Strahldynamik der Transfer Linie zwischen Linac4 und dem Proton Synchrotron Booster(PS-Booster) konzentriert. Die Strahldynamik der Transferlinie wurde optimiert und teilweise komplett überarbeitet. Die neue Transferlinie zeichnet sich durch eine verbesserte Emittanzerhaltung, höhere Stabilität der Strahldynamik gegenüber Aufstellungsfehlern und Feldjittern der Magnete und durch eine optimale Anpassung der Strahlparameter an die verschiedenen Injektionsschemata des PS-Boosters aus. Für eine abschließenden „Start-To-End” Simulationen wurden die Strahlcharakteristiken, die bei der Inbetriebnahme des LEBTs bestimmt worden sind, als Anfangsbedingungen für die strahldynamische Simulation von Linac4 einschließlich Transferlinie genutzt. Mit Hilfe dieser „Start-To-End” Simulationen werden kritische Positionen der Strahldynamik identifiziert, die durch Teilchenverluste oder Emittanzwachstum gekennzeichnet sind. Eine besonders kritische Sektion stellt das „Medium Energy Beam Transport” da, dessen Optik auf die neuen Strahlparameter angepasst werden musste. / In the first phase of the upgrade program of the CERN accelerator complex the proton injector Linac2 will be replaced by a new, normal-conducting H− ion Linac, Linac4, allowing a significant increase of the proton flux intensity along the downstream accelerator complex. In the design of Linac4 three beam transport sections are implemented to match the beam between the different accelerator elements and to model the longitudinal pulse structure. These three beam transport sections, which are the most critical locations in terms of beam quality preservation, are in the focus of this thesis. During the work of this thesis the Low Energy Beam Transport (LEBT), which is required to match the source beam to the radiofrequency quadrupole (RFQ), has been commissioned and its beam dynamics re-constructed. The measurement campaign used to reconstruct the LEBT beam dynamics was performed with the aim to prepare the RFQ commissioning and to maximise the LEBT performance. Downstream of the Linac4 accelerator the beam is transported along a 180m long transfer line to the Proton Synchrotron Booster (PS-Booster). The transfer line optics was studied, optimised and sections were completely re-designed. The new transfer line optics is characterised by an improved preservation of the beam emittance, higher stability of the optical solution with respect to alignment errors and field jitters of the transfer line magnets and it is matched to each of the PS-Booster injection schemes. In a concluding ”Start-To-End” simulation based on the measured beam characteristics at the LEBT exit the beam dynamics of the downstream Linac, including the transfer line, was calculated. To minimise particle losses within acceptable emittance preservation the beam optics of the Medium Energy Beam Transport (MEBT) was adapted to the measured beam parameters. This ”Start-To-End” simulation was performed to identify critical sections of the Linac4 beam dynamics and to adjust the commissioning strategies.

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.

Dans le cadre du projet LIU, vise à augmenter la puissance des injecteurs du LHC, le CERN PS Booster (PSB) sera mis à jour avec un système d'injection d'échange de charge H- et son énergie d'injection sera portée de 50 MeV à 160 MeV pour obtenir la luminosité du faisceau nécessaire pour le LHC High-Luminosity Upgrade. Effets de charge d'espace comme pertes de faisceau et incrément d’émittance transversale à l'injection vont être les principales limites vers la réalisation de la haute luminosité souhaitée. Des études sur la dynamique du faisceau en présence de charge d'espace afin d'évaluer les performances du PSB après la mise à niveau ont été effectuées. La première partie du travail consiste de mesures dans la présente machine, pour étudier les effets de charge d'espace et son interaction avec les résonances et d'avoir un ensemble de données pour le code benchmarking. Le code choisi pour le suivi du faisceau en présence de charge d'espace est PTC-Orbit (et PyOrbit). Les études de convergence numériques nécessaires sont présentées conjointement avec les études de la comparaison des simulations avec les mesures dans la machine. Une fois évalué le code et ses limites, les prévisions pour l'injection dans le PSB à 160 MeV avec des poutres de luminosité élevé sont livrés en termes de pertes de faisceau et incrément d’émittance. Ces études comprennent l'optimisation du point de fonctionnement, la compensation des résonances et/ou la correction de chromaticité en tenant compte des erreurs magnétiques attendus dans la machine. / As part of the LHC Injector Upgrade Project, the CERN PS Booster (PSB) will be upgraded with a H- charge exchange injection system and its injection energy will be raised from 50 MeV to 160 MeV to obtain the beam brightness required for the LHC High-Luminosity Upgrade. Space charge effects like beam losses and transverse emittance blow-up at injection are expected to be the main limitations towards the achievement of the required high brightness. Studies of beam dynamics in presence of space charge in order to evaluate the performances of the PSB after the Upgrade have been performed. The first part of the work consists of measurements in the present machine, to study the effects of space charge and its interplay with resonances and to have a good set of data for code benchmarking. The code chosen for the beam tracking in presence of space charge is PTC-Orbit (and PyOrbit). Necessary numerical convergence studies are presented together with a benchmark with the PSB measurements. Once assessed the code and its limitations, predictions for the 160 MeV injection with high- brightness beams are delivered in terms of beam losses and emittance blow-up. These studies include the optimization of the working-point, resonance compensation and/or chromaticity correction taking into account the expected magnetic errors in the machine.