Le LHC met en collision deux faisceaux de protons avec une énergie de 7 Tevchacun, entrainant ainsi un taux de particules d'environ 109 Hz. Le taux departicules est déterminé la production d'une coupe transversale, une constancenaturelle, la luminosité et un paramétre dépendant de l'accélérateurcapable de décrire les faisceaux de particules. La luminosité dépend dunombre de particules dans chaque faisceau linéairement et des dimensionstransversales du faisceau inversement. Elle augmente avec la densité dufaisceau de particules et en conséquence, la probabilité d'interactions estaccrue. Pour optimiser les tailles des faisceaux transversaux, on utilisedes dispositifs de contrle de pro_le, qui permettent de mesurer les changementsde paramétres dépendants. A l'intérieur du LHC, trois di_érentstypes de dispositifs de contrle des pro_les sont installés, savoir le WireScanner (WS), le Synchroton Light Monitor et le Rest Gas Pro_le Monitor.Le WS est considéré comme étant le plus précis de ces trois dispositifsde contrle et sert d'appareil de calibrage pour les deux autres. Ils'agit d'un appareil électromécanique qui mesure l'état de densité du faisceautransversale de faon intermittente. Lorsque le cble traverse le faisceau,l'interaction particule-matiére génére une cascade de particules secondaires.Ces derniers sont interceptés par un scintillateur, lequel est attaché un photo-multiplieur, et ce a_n de mesurer l'intensité de la lumiéreainsi produite. L'amplitude du signal lumineux est proportionnelle la densité de la portion de faisceau interceptée. L'acquisition de la position du_l et celle de l'intensité du signal sont synchronisées avec la fréquence dela révolution de particules puis sont combinées pour construire le pro_lede densité du faisceau transversal. Le WS est installé et mis en marchedans tous les accélérateurs circulaires du CERN sur une base réguliére / The LHC collides two protons beams with an energy of 7 TeV each resultingin a aimed total particle rate of about 109 Hz. The particle rateis determined by the production cross section, a natural constant and theluminosity accelerator dependent parameter describing the particle beams.The luminosity depends on the number of particles in each beam linearlyand on the transverse dimensions of the particle beam inversely. It increaseswith the particle beam density and therefore the probability of interactions.To optimize the transverse beams sizes, pro_le monitors are used to measureparameter depending changes. Within the LHC, three di_erent typesof pro_le monitors are installed: Wire scanner (WS), Synchrotron lightmonitor and Rest Gas Pro_le Monitor. The WS monitor is considered tobe the most accurate of these monitors and serves as a calibration devicefor the two others. The WS is an electro-mechanical device which measuresthe transverse beam density pro_le in an intermittent way. As the wirepasses through the beam, the particle-matter interaction generates a cascadeof secondary particles. These are intercepted by a scintillator, which isattached to a photomultiplier in order to measure the intensity of the lightthereby produced. The light signal amplitude is proportional to the densityof the intercepted beam portion. The acquisitions of the wire position andthe intensity signal are synchronized with the particle revolution frequencyand are combined to construct the transverse beam density pro_le. TheWS is installed and operated in all circular accelerators of CERN on a dailybasis.

L'étude détaillée des distributions transverses du halo du faisceau est importante du point de vue des pertes de faisceau et du contrôle du bruit de fond dans ATF2 et les futurs collisionneurs linéaires (FLC). Un nouveau type de capteur diamant sous vide (DSv) déplacable, avec quatre pistes, a été conçu et développé pour la mesure des distributions transverses du halo du faisceau et la détection du spectre des électrons de recul Compton après le point d'interaction (IP) d'ATF2, qui est un prototype à basse énergie (1.3 GeV) de la section de focalisation finale pour les projets de collisionneurs linéaires ILC et CLIC.Cette thèse présente les études du halo du faisceau et des électrons de recul Compton, ainsi que la caractérisation, les études de performance et les tests des capteurs diamant (DS), tant sur PHIL, un photo-injecteur à basse énergie (<10 MeV) au LAL, que sur ATF2. Les résultats des premières mesures du halo du faisceau, utilisant des wire scanner (WS) et un DSv, sur ATF2 sont également présentés et comparés dans cette thèse.Des simulations utilisant Mad-X et CAIN ont été réalisées afin d'estimer le nombre d'électrons composant le halo du faisceau ainsi que le nombre d'électrons de recul Compton. Les résultats des simulations ont indiqué qu'une grande gamme dynamique, supérieure 10⁶ , est nécessaire pour une mesure simultanée du cœur du faisceau, du halo du faisceau et des électrons de recul Compton. Un DSv mono-cristallin, fabriqué par CVD (Chemical Vapor Deposition), a été développé dans ce but.Avant l'installation du capteur diamant, une première tentative de mesure du halo du faisceau a été effectuée en 2013, en utilisant les wire scanners (WS) actuellement installés sur ATF2. En raison de leur dynamique limitée de ~10³ , la distribution du halo du faisceau a été mesurée seulement jusqu'à ~±6σ dans la ligne d'extraction (EXT). Un paramétrage des distributions mesurées du halo du faisceau a montré que les distributions mesurées sont cohérentes avec des mesures faites précédemment, en 2005, sur l'ancienne ligne faisceau d'ATF. Durant ces mesures, une distribution asymétrique du halo vertical du faisceau a été observée pour la première fois en utilisant le WS situé après l'IP, son origine est actuellement sous investigation en utilisant le DSv.Des études pour caractériser des capteurs diamants de dimensions 4.5x4.5x0.5 mm³ ont été réalisées en utilisant des sources α et β. Les paramètres de transport des porteurs de charge (durée de vie, vitesse de saturation, etc.) ont été obtenus en utilisant la technique des courants transitoires (TCT). Par ailleurs, la linéarité de la réponse du DS a été testée sur PHIL avec différentes intensités de faisceau après la fenêtre de sortie de d'accélération. Un signal maximum de 10⁸ électrons a été mesuré, avec une réponse linéaire jusqu'à 10⁷ électrons. Des études similaires de la linéarité ont été faites pour le DSv sur ATF2. Nous avons pu y exploiter avec succès, pour la première fois une gamme dynamique de ~10⁶ , permettant de mesurer simultanément le cœur du faisceau (~10⁹ électrons) et le halo du faisceau (~10³ électrons). Le pick-up électromagnétique induit par le passage du cœur du faisceau et des effets de saturation, qui sont les limitations empêchant actuellement le DSv d'atteindre une gamme dynamique supérieure à 10⁶ , ont également été identifiés et étudiés.Les premières mesures de la distribution horizontale du halo, en utilisant le DSv, ont été effectuées jusqu'à ~±20σx , et ont permis de prouver que le halo du faisceau est collimaté par les ouvertures de la ligne ATF2. Une distribution horizontale du halo compatible avec les paramétrages de 2005 et 2013 a été confirmée. La possibilité de détecter les électrons de recul Compton a été étudiée. Différentes solutions pour accroître la sensibilité des mesures ont été proposées. / The investigation of beam halo transverse distributions is an important issue for beam losses and background control in ATF2 and in Future Linear Colliders (FLC). A novel in vacuum diamond sensor (DSv) scanner with four strips has been designed and developed for the investigation of beam halo transverse distributions and also for the diagnostics of Compton recoil electrons after the interaction point (IP) of ATF2, a low energy (1.3 GeV) prototype of the final focus system for ILC and CLIC linear collider projects. This thesis presents the beam halo and Compton recoil electrons studies as well as the characterization, performance studies and tests of the diamond sensors (DS) both at PHIL, a low energy (<10 MeV) photo-injector at LAL, and at ATF2. First beam halo measurement results using wire scanners (WS) and DSv at ATF2 are also presented and compared in this thesis. Simulations using Mad-X and CAIN were done to estimate the rate of the beam halo and Compton recoil electrons. Simulation results have indicated that a large dynamic range of more than 10⁶ is needed for a simultaneous measurement of the beam core, beam halo and Compton recoil electrons. A single crystalline Chemical Vapor-Deposition (sCVD) based DSv was developed for this purpose. Prior to the diamond detector installation, first attempt of beam halo measurements have been performed in 2013 using the currently installed WS. With a limited dynamic range of ~10³ , the beam halo distribution was measured only up to ~±6σ in the extraction (EXT) line. Parametrizations of the measured beam halo distribution showed a consistent distribution with previous measurements done in 2005 at the old ATF beam line. Meanwhile, an asymmetric vertical beam halo distribution was observed for the first time using the post-IP WS, the origin of which is currently under investigation using the DSv.Studies to characterize DS pads with dimensions of 4.5x4.5x0.5 mm³ were carried out using the α and β sources. Charge carrier transport parameters (lifetime, saturation velocity etc.) were obtained using the transient-current technique (TCT). Furthermore, the linearity of the DS response was tested at PHIL with different beam intensities in air: a maximum signal of 108 electrons was measured with a linear response up to 10⁷ electrons. Similar linearity studies were done for the DSv at ATF2, where we have successfully demonstrated and confirmed for the first time a dynamic range of ~10⁶ by a simultaneous beam core (~10⁹ e-) and beam halo (~10³ e-) measurement using the DSv. Present limitations due to signal pick-up and saturation effects, which prevent the DSv from reaching a dynamic range higher than 10⁶ , were also studied.First measurements of the horizontal beam halo distribution using the DSv were performed up to ~±20σx, where the beam halo was proved to be collimated by the apertures. Horizontal beam halo distributions consistent with the 2005 and 2013 parametrizations were confirmed. The possibility of probing the Compton recoil electrons has been investigated and different ways to increase their visibility have been proposed.

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.