This thesis describes the design of novel magnetic lattices for the transport line and gantry of a charged particle therapy complex. The designs use non-scaling Fixed Field Alternating Gradient (ns-FFAG) magnets and were made as part of the PAMELA project. The main contributions in this thesis are the near-perfect FFAG dispersion suppression design process and the designs of the transport line and the gantry lattices. The primary challenge when designing an FFAG gantry is that particles with different momenta take up different lateral positions within the magnets. This is called dispersion and causes problems at three points: the entrance to the gantry, which must be rotated without distortion of the beam; at the end of the gantry where reduced dispersion is required for entry to the scanning system; and a third of the way through the gantry, where a switch in curvature of the magnets is required. Due to their non-linear fields, dispersion suppression in conventional FFAGs is never perfect. However, as this thesis shows, a solution can be found through manipulation of the field components, meaning near-perfect dispersion suppression can be achieved using ns-FFAG magnets (although at a cost of irregular optics). The design process for an FFAG dispersion suppressor shown in this thesis is a novel solution to a previously unsolved problem. Other challenges in the gantry lattice design, such as height and the control of the optics, are tackled and a final gantry design presented and discussed. The starting point for the transport line is a straight FFAG lattice design. This is optimised and matched to a 45o bend. Fixed field solutions to the problem of extracting to the treatment room are discussed, but a time variable field solution is decided on for practical and patient safety reasons. A matching scheme into the gantry room is then designed and presented.

L'AGS fournit un faisceau de proton polarisé à RHIC. Le faisceau est accéléré dans l'AGS de Gγ = 4.5 à Gγ = 45.5 et la transmission de la polarisation est critique pour le programme de spin de RHIC. Au cours des dernières années, divers systèmes ont été mis en œuvre pour améliorer la transmission de la polarisation dans l'AGS. Ces améliorations consistent essentiellement en l'introduction de deux serpents Siberien partiels et du system de saut de nombre d'onde. Cependant, la transmission de la polarisation n'atteint pas encore 100 % durant le cycle d'accélération de l'AGS. L'efficacité actelle de la transmission de la polarisation est estimée à environ 85 % dans les conditions de fonctionnement typiques. Comprendre les sources de dépolarisation dans l'AGS est essentiel pour améliorer les performances en protons polarisés de la machine. La dynamique complexe de faisceau et de spin, notamment en présence des aimaint spécialisés appelé serpent Sibériens, justifient le fort intérÃa t pour des méthodes de simulation originales. Le code Zgoubi, capable de résoudre l'équation du mouvement et de l'évolution du spin directement à partir d'une carte de champs, est utilisé pour modéliser l'AGS. Un modèle de l'AGS utilisant le code Zgoubi a pout cette reaison été développé et interfacé avec le système actuel par une simple commande: l'AgsFromSnapRampCmd. L'interfa ̧age avec le système de contrôle de la machine permet la modélisation rapide en utilisant les paramètres de réels la machine. Ces développements ont permis de reproduire fidèlement l'optique de l'AGS le long du cycle d'accéleration. Des développements supplémentaires sur le code Zgoubi, ainsi que sur des outils de post-traitement et de pré-traitement, ont fourni au code la possibilité de suivre les faisceaux sur de nombreux tours, ce qui s'avère être fondamental pour une représentation realiste du cycle d'accélération complet de la machine. Des simulations de faisceaux sur de nombreux tours dans l'AGS, en utilisant des conditions réalistes de faisceau et de machine, ont fourni une unique vision des les mécanismes sous-jacents de l'évolution de l'émittance et de la polarisation du faisceau au cours du cycle d'accélération. Des programmes de post-traitement ont été développés pour permettre la représentation des quantités pertinentes des données simulées par Zgoubi.Les simulations se sont avérées particulièrement utiles pour mieux comprendre les pertes de polarisation à travers résonances horizontales intrinsèques de spin. Le modèle Zgoubi ainsi que les outils développés ont également été utilisées pour certaines applications directes. Par exemple, les simulations d'expériences de faisceau ont permis l'estimation précise des gains de polarisation attendus en fonction des changements apportés. En particulier, des simulations d'expériences impliquant le système de saut des nombres d'onde ont fournis des estimations précises de la polarisation gagné et permis le choix des conditions optimales de la machine. / The AGS provides a polarized proton beam to RHIC. The beam is accelerated in the AGS from Gγ = 4.5 to Gγ = 45.5 and the polarization transmission is critical to the RHIC spin program. In the recent years, various systems were implemented to improve the AGS polarization transmission. These upgrades include the double partial snakes configuration and the tune jumps system. However, 100 % polarization transmission through the AGS acceleration cycle is not yet reached. The current efficiency of the polarization transmission is estimated to be around 85 % in typical running conditions. Understanding the sources of depolarization in the AGS is critical to improve the AGS polarized proton performances. The complexity of beam and spin dynamics, which is in part due to the specialized Siberian snake magnets, drove a strong interest for original methods of simulations. For that, the Zgoubi code, capable of direct particle and spin tracking through field maps, was here used to model the AGS. A model of the AGS using the Zgoubi code was developed and interfaced with the current system through a simple command: the AgsFromSnapRampCmd. Interfacing with the machine control system allows for fast modelization using actual machine parameters. Those developments allowed the model to realistically reproduce the optics of the AGS along the acceleration ramp. Additional developments on the Zgoubi code, as well as on post-processing and pre-processing tools, granted long term multiturn beam tracking capabilities: the tracking of realistic beams along the complete AGS acceleration cycle. Beam multiturn tracking simulations in the AGS, using realistic beam and machine parameters, provided a unique insight into the mechanisms behind the evolution of the beam emittance and polarization during the acceleration cycle. Post-processing softwares were developed to allow the representation of the relevant quantities from the Zgoubi simulations data. The Zgoubi simulations proved particularly useful to better understand the polarization losses through horizontal intrinsic spin resonances The Zgoubi model as well as the tools developed were also used for some direct applications. For instance, some beam experiment simulations allowed an accurate estimation of the expected polarization gains from machine changes. In particular, the simulations that involved involved the tune jumps system provided an accurate estimation of polarization gains and the optimum settings that would improve the performance of the AGS.

L'AGS fournit un faisceau de proton polarisé à RHIC. Le faisceau est accéléré dans l'AGS de Gγ = 4.5 à Gγ = 45.5 et la transmission de la polarisation est critique pour le programme de spin de RHIC. Au cours des dernières années, divers systèmes ont été mis en œuvre pour améliorer la transmission de la polarisation dans l'AGS. Ces améliorations consistent essentiellement en l'introduction de deux serpents Siberien partiels et du system de saut de nombre d'onde. Cependant, la transmission de la polarisation n'atteint pas encore 100 % durant le cycle d'accélération de l'AGS. L'efficacité actelle de la transmission de la polarisation est estimée à environ 85 % dans les conditions de fonctionnement typiques. Comprendre les sources de dépolarisation dans l'AGS est essentiel pour améliorer les performances en protons polarisés de la machine. La dynamique complexe de faisceau et de spin, notamment en présence des aimaint spécialisés appelé serpent Sibériens, justifient le fort intérÃa t pour des méthodes de simulation originales. Le code Zgoubi, capable de résoudre l'équation du mouvement et de l'évolution du spin directement à partir d'une carte de champs, est utilisé pour modéliser l'AGS. Un modèle de l'AGS utilisant le code Zgoubi a pout cette reaison été développé et interfacé avec le système actuel par une simple commande: l'AgsFromSnapRampCmd. L'interfa ̧age avec le système de contrôle de la machine permet la modélisation rapide en utilisant les paramètres de réels la machine. Ces développements ont permis de reproduire fidèlement l'optique de l'AGS le long du cycle d'accéleration. Des développements supplémentaires sur le code Zgoubi, ainsi que sur des outils de post-traitement et de pré-traitement, ont fourni au code la possibilité de suivre les faisceaux sur de nombreux tours, ce qui s'avère être fondamental pour une représentation realiste du cycle d'accélération complet de la machine. Des simulations de faisceaux sur de nombreux tours dans l'AGS, en utilisant des conditions réalistes de faisceau et de machine, ont fourni une unique vision des les mécanismes sous-jacents de l'évolution de l'émittance et de la polarisation du faisceau au cours du cycle d'accélération. Des programmes de post-traitement ont été développés pour permettre la représentation des quantités pertinentes des données simulées par Zgoubi.Les simulations se sont avérées particulièrement utiles pour mieux comprendre les pertes de polarisation à travers résonances horizontales intrinsèques de spin. Le modèle Zgoubi ainsi que les outils développés ont également été utilisées pour certaines applications directes. Par exemple, les simulations d'expériences de faisceau ont permis l'estimation précise des gains de polarisation attendus en fonction des changements apportés. En particulier, des simulations d'expériences impliquant le système de saut des nombres d'onde ont fournis des estimations précises de la polarisation gagné et permis le choix des conditions optimales de la machine. / The AGS provides a polarized proton beam to RHIC. The beam is accelerated in the AGS from Gγ = 4.5 to Gγ = 45.5 and the polarization transmission is critical to the RHIC spin program. In the recent years, various systems were implemented to improve the AGS polarization transmission. These upgrades include the double partial snakes configuration and the tune jumps system. However, 100 % polarization transmission through the AGS acceleration cycle is not yet reached. The current efficiency of the polarization transmission is estimated to be around 85 % in typical running conditions. Understanding the sources of depolarization in the AGS is critical to improve the AGS polarized proton performances. The complexity of beam and spin dynamics, which is in part due to the specialized Siberian snake magnets, drove a strong interest for original methods of simulations. For that, the Zgoubi code, capable of direct particle and spin tracking through field maps, was here used to model the AGS. A model of the AGS using the Zgoubi code was developed and interfaced with the current system through a simple command: the AgsFromSnapRampCmd. Interfacing with the machine control system allows for fast modelization using actual machine parameters. Those developments allowed the model to realistically reproduce the optics of the AGS along the acceleration ramp. Additional developments on the Zgoubi code, as well as on post-processing and pre-processing tools, granted long term multiturn beam tracking capabilities: the tracking of realistic beams along the complete AGS acceleration cycle. Beam multiturn tracking simulations in the AGS, using realistic beam and machine parameters, provided a unique insight into the mechanisms behind the evolution of the beam emittance and polarization during the acceleration cycle. Post-processing softwares were developed to allow the representation of the relevant quantities from the Zgoubi simulations data. The Zgoubi simulations proved particularly useful to better understand the polarization losses through horizontal intrinsic spin resonances The Zgoubi model as well as the tools developed were also used for some direct applications. For instance, some beam experiment simulations allowed an accurate estimation of the expected polarization gains from machine changes. In particular, the simulations that involved involved the tune jumps system provided an accurate estimation of polarization gains and the optimum settings that would improve the performance of the AGS.