Un ordinateur IBM 1800 a été installé au CERN pour assister l'opération du synchrotron à protons (PS). Par l'intermédiaire de systèmes d'acquisition cet ordinateur acquiert un certain nombre de données relatives à l'accélérateur et à ses faisceaux. Certains paramètres peuvent erre commandés par l'ordinateur.<br />Après un bref rappel des caractéristiques de l'accélérateur, de l'ordinateur et de son électronique associée, une analyse détaillée des programmes relatifs aux faisceaux éjectés est donnée. Ces programmes concernent un relevé de données, une surveillance de paramètres et les statistiques sur l'utilisation des protons par les systèmes d'éjection. Deux programmes de contrôle optimisent l'un la position du faisceau éjecté sur la cible externe, l'autre le flux de particules secondaires issues de cette cible.<br /><br />L'utilisation opérationnelle et l'aspect conversationnel de ces programmes sont expliqués.

Mémoire de ma thèse d'Habilitation, soutenue le 11 mai 2005 à Orsay.

L’émergence d’internet et l’amélioration des infrastructures de com- munication ont considérablement encouragé l’explosion des flux d’in- formations au niveau mondial. Cette évolution a été accompagnée par l’apparition de nouveaux besoins et de nouvelles attentes de la part des consommateurs. Communiquer avec ses proches ou ses collaborateurs, stocker des documents de travail, des fichiers mul- timédia, utiliser des services innovants traitant nos documents per- sonnels, tout cela se traduit immanquablement par le partage, avec des tiers, d’informations potentiellement sensibles. Ces tiers, s’ils ne sont pas de confiance, peuvent réutiliser à notre insu les données sensibles que l’on leur a confiées. Dans ce contexte, le chiffrement homomorphe apporte une bonne solution. Il permet de cacher aux yeux des tiers les données qu’ils sont en train de manipuler. Cependant, à l’heure actuelle, le chif- frement homomorphe reste complexe. Pour faire des opérations sur des données de quelques bits (données en clair), il est nécessaire de manipuler des opérandes sur quelques millions de bits (données chiffrées). Ainsi, une opération normalement simple devient longue en termes de temps de calcul. Dans cette étude, nous avons cherché à rendre le chiffrement ho- momorphe plus pratique en concevant un accélérateur spécifique. Nous nous sommes basés sur une approche de type co-conception logicielle/matérielle utilisant l’algorithme de Karatsuba. En particulier, notre approche est compatible avec le batching, qui permet de sto- cker plusieurs bits d’informations dans un même chiffré. Notre étude démontre que le batching peut être implémenté sans surcoût important comparé à l’approche sans batching, et permet à la fois de réduire les temps de calcul (calculs effectués en parallèle) et de réduire le rapport entre la taille des données chiffrées et des données en clair. / The emergence of internet and the improvement of communica- tion infrastructures have considerably increased the information flow around the world. This development has come with the emergence of new needs and new expectations from consumers. Communicate with family or colleagues, store documents or multimedia files, using innovative services which processes our personal data, all of this im- plies sharing with third parties some potentially sensitive data. If third parties are untrusted, they can manipulate without our agreement data we share with them. In this context, homomorphic encryption can be a good solution. Ho- momorphic encryption can hide to the third parties the data they are processing. However, at this point, homomorphic encryption is still complex. To process a few bits of clear data (cleartext), one needs to manage a few million bits of encrypted data (ciphertext). Thus, a computation which is usually simple becomes very costly in terms of computation time. In this work, we have improved the practicability of homomorphic en- cryption by implementing a specific accelerator. We have followed a software/hardware co-design approach with the help of Karatsuba algorithm. In particular, our approach is compatible with batching, a technique that “packs" several messages into one ciphertext. Our work demonstrates that the batching can be implemented at no important additional cost compared to non-batching approaches, and allows both reducing computation time (operations are processed in parallel) and the ciphertext/cleartext ratio.

Les klystrons sont des tubes électroniques dans lesquels un ou plusieurs faisceaux d'électrons sont modulés afin de d'amplifier un signal radiofréquence. Pour ce faire, des cavités passives constituant la ligne d’interaction du klystron échangent de l’énergie électromagnétique avec le faisceau. Il en résulte une modification périodique de la vitesse des électrons, qui sont regroupés en paquets. A la fin de la ligne d’interaction, cette énergie est partiellement transmise à un circuit radiofréquence externe. Afin d’améliorer les performances des klystrons et d’augmenter leur rendement énergétique, une nouvelle architecture, inspirée des RFQ (Radio-Frequency Quadrupole), a été proposée. Il s’agit d’utiliser un nombre plus important de cavités, faiblement couplées au faisceau, et permettant la mise en paquets des électrons de façon très progressive et économe en énergie. Dans l’optique de tester cette nouvelle architecture, le point de départ de ce projet a été la modification de la ligne d’interaction d’un klystron existant. Les éléments d’origines ont été modélisés avec différents programmes de simulation (AJ-Disk, Klys2D et MAGIC2D). Plusieurs architectures ont été ensuite simulées avec ces programmes, afin d’améliorer le rendement énergétique de ce klystron. Une fois que les paramètres électromagnétiques des cavités ont été déterminés, il a été nécessaire de concevoir les pièces constituant cette nouvelle ligne. Le développement de ce nouveau klystron a imposé la création d’un système d’accord des cavités en fréquence, et d’une méthode de titanage, afin d’empêcher la création de phénomène de multipactor. Pour ce faire, deux séries de prototypes ont été conçues, fabriquées et testées. Cette étape a également permis la vérification des méthodes de brasage prévues avec les pièces finales. Les différents éléments de la ligne d’interaction ont été réalisés par un partenaire industriel extérieur au projet. Ces pièces ont été ensuite assemblées à Thales Electron Devices Vélizy, avant que le nouveau klystron soit testé sur un banc dédié. / Klystrons are vacuum tubes that amplifiy microwave signals with the modulation of its beam electrons velocities. The electron beam and the klystron cavities exchange electromagnetic energy. This energy exchanges accelerate or decelerate electrons, and create bunches. The electromagnetic energy carried by these bunches is transferred to an external radio-frequency circuit in the last cavity. In the frame of the improvement of klystrons efficiency, a new design inspired by RFQ (Radio-Frequency Quadrupole) had been proposed. With more cavities, poorly-coupled with the beam, the electron bunching is expected to be smoother and more efficient. The purpose of this project was the test of this new design by replacing the interaction line of an existing klystron. This klystron was simulated with several codes such as AJ-Disk, Klys2D and MAGIC2D. We then used this simulation software to try new designs to improve this klystron efficiency. Once we chose the new cavities electromagnetic properties, we designed the interaction line parts.This klystron development involved the design of a new tuning system for the cavities frequencies, and a new titanium deposition method, in order to prevent multipactor effect. This step needed the design and the fabrication of two series of cavities prototypes to test our new parts and methods. The brazing method was also checked with these cavities. The final interaction line parts were fabricated by a subcontractor, and then assembled and brazed at Thales Electron Devices Vélizy. This new klystron was finally tested on a dedicated conditioning and testing bench.

La dynamique de fragmentation des molécules poly-atomiques est un problème compliqué du fait de l'existence de couplages entre leurs différents degrés de liberté. Dans le but de comprendre le rôle de ces couplages, nous avons étudié la fragmentation de molécules triatomiques induite par impact d'ions rapides multichargés. L'intérêt de ces ions est de conduire à une ionisation multiple de la molécule au cours d'une interaction d'une durée de quelques attosecondes (10-18s). Ce temps est suffisamment bref pour que la relaxation, par fragmentation, de l'ion moléculaire ainsi créé se fasse hors de toute perturbation extérieure. Les premières études réalisées sur le CO2 soumis aux ions Ni24+ de 8 MeV/u ont montré que la fragmentation de l'ion moléculaire CO2q+ pouvait être modélisée par une fragmentation concertée synchrone (q=3) ou une fragmentation concertée asynchrone (q=2), i.e. par l'intermédiaire d'un mode de vibration asymétrique de la molécule. Nous avons réalisé des expériences avec des molécules non linéaires telles que NO2, D2O, H2O et HDO pour lesquelles les couplages entre degrés de liberté sont différents de ceux rencontrés dans les molécules linéaires comme CO2, et ainsi tester ce modèle de dissociation plus sévèrement. Dans le cas de fragmentation du NO22+ induite par des ions Ne8+ de 4.7Mev/u, des fortes différences, par rapport à CO22+, ont été observées en raison de la contribution de la géométrie. La fragmentation de HDO2+ a permis de confirmer à haute et basse énergie de collision, un important effet isotopique: la rupture de la liaison O-H est 5.7 fois plus probable que celle de la liaison O-D.

Ce travail de doctorat est consacré à l'étude du système d'alignement du CLIC, projet d'accélérateur linéaire de particules de plus de 30km de long mené par l'Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire. L'aspect le plus remarquable de ce projet réside dans la précision très contraignante de ±10 microns sur 200m qu'il faut atteindre sur l'alignement relatif des éléments de l'accélérateur.<br />Cette thèse se situe dans le prolongement de travaux entrepris depuis 10 ans. Ceux-ci avaient notamment permis de sélectionner un certain nombre de capteurs métrologiques susceptibles de répondre aux besoins du CLIC. Or la plupart de ces capteurs effectuent leurs mesures par rapport à des références géométriques sensibles à la gravité. Le niveau élevé de précision requis nous a donc conduit à consacrer une partie importante de ce travail à l'effet des perturbations de la gravité sur l'utilisation de ces capteurs. Cela a permis de mettre en évidence les effets qui devront être pris en compte et de dégager les interrogations qui subsistent encore sur l'utilisation des niveaux hydrostatiques.<br />Cette recherche avait également pour but d'établir une proposition de configuration du système d'alignement, basée sur l'utilisation des capteurs sélectionnés. Il s'agissait donc d'effectuer des simulations des précisions obtenues avec les différentes configurations possibles. L'outil de calcul disponible étant inadapté, un effort majeur a été consacré au développement d'un nouveau logiciel. Les méthodologies orientées-objet se sont avérées être très bénéfiques dans ce contexte et ont permis la mise au point d'un outil évolutif adapté à des projets de recherche. Les simulations effectuées ont permis de définir une configuration optimale du réseau.<br />Enfin, en raison des problèmes peut-être insolubles que pose l'utilisation des capteurs hydrostatiques, nous avons mené une réflexion qui nous a permis d'ébaucher assez précisément une solution alternative basée sur l'utilisation d'un long faisceau laser.

Le projet SPIRAL2, en phase de construction au GANIL à Caen, viendra augmenter les capacités de production et d'accélération de l'actuelle installation SPIRAL. Cette extension consiste en la construction d'une zone de production d'isotopes radioactifs associée à un accélérateur linéaire supraconducteur. Ce dernier permet l'accélération de faisceaux de deutons de 5 mA à 40 MeV ainsi que d'une grande variété d'ions (protons, deutons, ions ayant un rapport charge/masse de 1/3) jusqu'à une énergie de 14.5 MeV/u et un courant de 1 mA. Le taux de fission visé (~ 1014 fissions/s) ainsi que cette grande polyvalence d'accélération sont rendus possible grâce à l'utilisation de la technologie supraconductrice. L'étude, la conception et l'intégration des modules accélérateurs supraconducteurs de la partie haute énergie ont été effectuées à l'Institut de Physique Nucléaire d'Orsay (IPNO). Le travail de thèse présenté ici s'inscrit dans ce contexte. Dans un premier temps, les cavités accélératrices supraconductrices de type quart-d'onde ont été validées et caractérisées d'un point de vue électromagnétique et mécanique en cryostat de qualification (-269 °C). Par la suite, un module accélérateur totalement équipé a été qualifié en configuration dite « machine ». Des études plus spécifiques ont également été menées sur l'effet 100K, les microphonies et la caractérisation du système d'accord en fréquence par plongeur mobile, système novateur pour les cavités supraconductrices. La validation des performances du module accélérateur à travers ce travail de thèse a donné lieu au lancement de la phase de fabrication des cavités accélératrices et des cryomodules.

Les accélérateurs linéaires (linacs) de protons de forte intensité sont, depuis quelques années, au coeur de nombreux projets internationaux (transmutation des déchets nucléaires, production de faisceaux radioactifs, sources de neutrons de spallation, usines à neutrinos...). Les cavités accélératrices supraconductrices, qui constituent une des pierres angulaires de ces accélérateurs, ont connu un essor très important grâce, en particulier, aux excellentes performances atteintes par les cavités dites « elliptiques ». Alors que le choix technologique concernant la partie haute énergie des linacs (énergie du proton supérieure à 100 MeV) semble maintenant clairement établi avec l'utilisation de ces cavités elliptiques, le débat reste encore ouvert au sujet de la partie intermédiaire (typiquement entre 5 et 100 MeV), pour laquelle différents types de cavités « faible bêta » sont actuellement à l'étude. Le thème central de cette thèse porte donc sur l'étude d'une nouvelle structure accélératrice faible bêta, appelée cavité « spoke », qui pourrait répondre aux différents critères fixés, dans le cadre des projets européens EURISOL (production de faisceaux radioactifs) et XADS (transmutation des déchets nucléaires), pour assurer un bon fonctionnement de l'accélérateur, mais aussi, contribuer à réduire le coût global de telles installations. L'étude complète d'une cavité spoke, bêta 0.35, a donc été réalisée : de sa conception, au moyen de logiciels de simulation électromagnétique et mécanique afin d'optimiser sa géométrie, jusqu'aux mesures expérimentales à chaud et à froid (T=4.2 K) où un excellent résultat a été obtenu, à savoir un champ accélérateur de 12.2 MV/m (une des meilleures performances atteintes avec une cavité spoke dans le monde). L'étude d'optimisation a notamment montré qu'un rapport 1/3 entre la barre centrale et la longueur de la cavité permettait de minimiser les champs électriques et magnétiques de surface pour un champ accélérateur donné. Elle a également établi que les cavités spoke pouvaient parfaitement être utilisées, dans la partie intermédiaire de l'accélérateur jusqu'à un bêta de 0.15, du fait de leur très grande rigidité. Les tests expérimentaux à chaud réalisés sur la cavité (fabriquée par l'entreprise CERCA) ont confirmé les prédictions théoriques attendues (fréquence, profil de champ et caractéristiques mécaniques). Une autre étude, portant sur le contrôle dimensionnel en 3D de cavités monocellules elliptiques, a permis d'expliquer les écarts observés entre les fréquences mesurées et celles visées, issues des codes électromagnétiques.

Ce travail a été mené dans un contexte de collaboration étroite entre le Centre de Protonthérapie d'Orsay de l'Institut Curie (ICPO), Dosisoft et le laboratoire Creatis afin de mettre en place un nouveau modèle de calcul de dose pour la nouvelle salle de traitement de l'ICPO. Le projet de rénovation et d'agrandissement de ce dernier a permis l'installation d'un nouvel accélérateur ainsi que d'une nouvelle salle de traitement équipée d'un bras isocentrique de la société IBA, dans le but de diversifier les localisations des cancers traités à l'ICPO. Le premier objectif de cette thèse est de développer un ensemble de méthodologies et de nouveaux algorithmes liés au calcul de dose pour les adapter aux caractéristiques spécifiques des faisceaux délivrés par la nouvelle machine IBA, avec comme finalité de les inclure dans le logiciel Isogray de DOSIsoft. Dans un premier temps, la technique de la double diffusion est abordée en tenant compte des différences avec le système passif des lignes fixes de l'ICPO. Dans un deuxième temps, une modélisation est envisagée pour les modalités de faisceaux balayés. Le deuxième objectif est d'améliorer les modèles de calcul de dose Ray-Tracing et Pencil-Beam existants. En effet, le collimateur personnalisé du patient en fin de banc de mise en forme du faisceau pour les techniques de double diffusion et de balayage uniforme provoque une contamination de la dose délivrée au patient. Une méthodologie de réduction de cet effet a été mise en place pour le système passif de délivrance du faisceau, ainsi qu'un modèle analytique décrivant la fonction de contamination, dont les paramètres ont été validés grâce à des simulations Monte Carlo sur la plateforme GATE. Il est aussi possible d'appliquer ces méthodes aux systèmes actifs.

Le compact linear collider (CLIC) est le projet de collisionneur de particules proposé par l'organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) visant à succéder au large hadron collider (LHC). Du fait des dimensions nanométriques des faisceaux de leptons de ce projet, les accroissements admissibles de l'émittance sont extrêmement faibles. Cela a pour conséquence des tolérances d'alignement des composants du CLIC jamais atteintes. La dernière étape de l'alignement sera effectuée par rapport au faisceau de particules du CLIC. Elle est du ressort des physiciens du faisceau. Toutefois son implémentation nécessite un pré-alignement qui lui-même représente un défi métrologique et géodésique : atteindre 10 μm à 3σ le long d'une fenêtre coulissante de 200 m. Un tel niveau de précision requiert le développement d'une méthode compatible avec des systèmes de repositionnement qui seront constamment sollicités. Le pré-alignement du CLIC devra être actif. Cette thèse ne démontre pas la faisabilité du pré-alignement actif du CLIC mais montre le chemin des derniers développements à effectuer dans ce but. Il y est proposé une méthode, fondée sur la gestion des similitudes entre systèmes euclidiens de coordonnées, qui, de la géodésie aux mesures métrologiques, est susceptible d'apporter la solution. Des expériences sur de longues distances ont été construites dans le but d'éprouver, en parallèle de simulations de Monte-Carlo, les modèles mathématiques des systèmes de mesure et des références d'alignement ainsi créés. L'extrapolation de ces modèles, une fois validés expérimentalement, sur toute la longueur du CLIC, sera la dernière étape prouvant la faisabilité du pré-alignement