Dans de nombreuses applications, des paquets d’électrons relativistes sub-ps sont requis : Accélération laser-plasma, Lasers à électrons libres, Génération de rayonnement THz intense, Etude des phénomènes ultra-rapides dans la matière… L’aspect court des paquets et la nécessité d’un fort courant crête pour les applications impliquent de fortes forces de charge d’espace conduisant à une dégradation des propriétés du faisceau, telle que son émittance transverse et sa longueur. La principale difficulté est de caractériser, modéliser et prendre en compte ces effets. Ma thèse s’inscrit dans ce cadre à travers l’étude de la dynamique et des diagnostics associés à ces paquets courts. Le chapitre 2 rassemble des mesures de plusieurs propriétés du faisceau : charge, émittance transverse et longueur. L’originalité de mon travail réside dans l’utilisation de méthodes simples, des points de vues théoriques et technologiques. Ces méthodes, plus adaptées pour des faisceaux moins extrêmes, permettent néanmoins d’obtenir de très bons résultats. J’ai en particulier développé une méthode de mesure de charge à partir de la mesure de l’intensité lumineuse émise par un écran scintillant suite à l’interaction avec le faisceau. Cette méthode permet de mesurer précisément des charges inférieures à 100 fC, ce qui surpasse les capacités des diagnostics classiques (ICT et Coupe de Faraday) limités au picocoulomb à cause du bruit électronique. Cette méthode est utile, du fait que les paquets courts sont souvent faiblement chargés pour limiter l’effet des forces de charge d’espace. J’ai aussi adapté des méthodes multiparamétriques pour mesurer l’émittance transverse et la longueur des paquets d’électrons. Ces méthodes indirectes permettent de déterminer ces propriétés à partir de la mesure d’autres propriétés plus accessibles : les dimensions transverses pour l’émittance et la dispersion en énergie pour la longueur. La mesure de longueur (méthode des 3 phases) donne de très bons résultats, puisqu’elle permet de mesurer avec une précision meilleure que 10% des longueurs rms inférieures à la picoseconde. La mesure d’émittance sans prise en compte des forces de charge d’espace donne des résultats mitigés, puisque la précision varie de 20% (méthode des 3 gradients) à plus de 100% (méthode des 3 écrans). Une amélioration significative de la précision, jusqu’à un facteur 5, peut être obtenue en prenant en compte les forces de charge d’espace via une équation d’enveloppe, ce qui constitue l’originalité de mon travail. Le chapitre 3 consiste en une comparaison des propriétés des paquets courts d’électrons, unique ou longitudinalement modulé, générés par trois méthodes différentes : Utilisation d’une impulsion laser courte ou longitudinalement modulée dans un canon RF ; Compression magnétique dans une chicane ; Compression RF dans une structure accélératrice (Velocity Bunching). J’ai en particulier montré que, à charge égale, la génération de paquets courts via une impulsion laser courte dans un canon RF est désavantageuse, des points de vue de la longueur et de l’émittance transverse du faisceau, par rapport à la compression magnétique RF d’un paquet déjà accéléré. Cela est expliqué par les forces de charge d’espace plus importantes juste après l’émission du faisceau par la photocathode. Il est également consacré au développement et au test de modèles analytiques de la dynamique longitudinale des faisceaux. J’ai développé une matrice de transfert longitudinale pour un canon RF, en partant du modèle de K. J. Kim. Ce modèle a été comparé avec plusieurs mesures effectuées à PITZ et PHIL et a prouvé être précis sur les aspects énergétiques et temporels, mais pas sur l’aspect de la dispersion en énergie. J’ai également développé un modèle analytique du phénomène de velocity bunching dans des structures accélératrices à onde progressive, en partant d’un modèle simple développé par P. Piot. / In several applications, quasi-relativistic sub-ps electron bunches are required: Laser-plasma acceleration, Free electron lasers, Generation of intense THz radiation, Study of ultra-fast phenomena in matter… The short nature of the bunch and the necessity of a high peak current for the applications imply strong space-charge forces leading to a degradation of beam properties, as its transverse emittance and duration. The main difficulty is to characterize, model and take into account these effects. My thesis falls within this context through the study of dynamics and diagnostics related to these short bunches, namely whose rms duration is not directly measurable by an electronic method locating the border at a few tens of picoseconds. The chapter 2 consists in the measurements of several properties of these bunches: charge, transverse emittance and duration. The originality of my work is that I use simple methods, both on the theoretical (analytical at maximum) and technological (using only common elements of electron accelerators) point of view. These methods, more suitable for less extreme bunches, allow however obtaining very good results. I especially developed a method of charge measurement from the measurement of the light intensity emitted by a scintillating screen following the interaction with an electron beam. This method allows precisely measuring charges lower than 100fC. This is better than the capabilities of classical diagnostics (ICT and Faraday Cup) limited to the picocoulomb because of electronic noise. This method is useful since the short bunches are often low-charged to minimize the effects of space-charge forces. It will also be used for detectors calibration, which requires low charges. I also adapt multiparametric methods to measure the transverse emittance and duration of electron bunches. These indirect methods allow determining these properties from the measurement of other more accessible properties: the transverse dimensions for the transverse emittance and the energy spread for the duration. The duration measurement (3-phase method) gives very good results, since it allows determining with accuracy better than 10% rms durations lower than one picosecond. The emittance measurement without taking into account the space-charge forces in the modeling gives mixed results, since the accuracy is from 20% (3-gradients method) to more than 100% (3-screens method). A significant accuracy improvement, up to a factor of 5, can be obtained by taking the space-charge forces into account through a beam envelop equation, which constitutes the originality of my work. The chapter 3 consists in the comparison of the properties of short electron beams, single or longitudinally modulated, generated by three different methods: Injection of a short or longitudinally modulated laser pulse in an RF-gun; Magnetic compression in a chicane; RF-compression in an accelerating structure (Velocity Bunching). I particularly shown that, at equal conditions of charge, the generation of short bunches thanks to a short laser pulse driven an RF-gun is disadvantageous, both from the beam duration and transverse emittance point of view, with respect to a magnetic or RF compression of an already accelerated beam. This is explained by the more important space-charge forces just after the beam emission by the photocathode. It also consists in the development and test of analytical models for longitudinal beam dynamics. I developed a longitudinal transfer matrix for RF-gun, starting from a Kim-like model. This model has been compared with several measurements performed at PITZ and PHIL and shown to be accurate on the energy and temporal aspects, but not on the energy spread aspect. I also developed an analytical model of the velocity bunching phenomenon in travelling wave accelerating structures, starting from a simple model developed by P. Piot.

L’étude de la dynamique d’un faisceau d’ions de haute intensité dans les lignes de basse énergie (LBE)représente l’un des défis majeurs de la science des accélérateurs. basse énergie, cette dynamique est dominée par le champ de charge d’espace induit par le faisceau lui-même, qui en général est non linéaire et peut entrainer des phénomènes de halo, de grossissement d’émittance et de pertes de faisceau. Toutefois, un faisceau à basse énergie se propageant dans une LBE induit l’ionisation du gaz résiduel présent dans la chambre. Les particules (ions et électrons) issues de l’ionisation sont repoussées ou attirées radialement par le champ de charge d’espace en fonction du signe de leur charge. D’autres réactions physiques ont lieu dans la ligne basse énergie, jouant ainsi un rôle dans la dynamique du faisceau et sur l’établissement du temps et du taux de compensation de charge d’espace. Afin d’obtenir des résultats prédictifs et fiables quantitativement, des simulations de transport de faisceau en régime de compensation de charge d’espace avec le code de calcul warp ont été réalisées en prenant également compte les réactions physiques les plus probables. On discutera ensuite des résultats de ces simulations en lien avec ceux issus de différentes compagnes de mesure réalisées auprès des LBE des projets MYRRHA et IFMIF. / The study of intense ion beam dynamics in lowenergy beam transport line (LEBT) representsone of the most important challenges inaccelerating sciences. At low energy, it isdominated by the space-charge field created bythe beam itself, which is generally non-linearand can induce halo, emittance growth and beamlosses. But, a ion beam at low energypropagating in a LEBT ionises the residual gas.The particles (ions and electrons) fromionisation are repelled or confined radially bythe space charge field according to their chargesign.Other interactions take place in the LEBT,modifying the beam dynamics and the space chargecompensation time and the space-chargecompensation yield. In order to obtain predictiveand precise results quantitatively, numericalsimulations of beam transport in space-chargecompensation regime with WARP code havebeen realized taking account the most probablephysical interactions. Then, we will discuss theresults with comparisons with experimental dataobtained on the MYRRHA and IFMIF LEBT’s

Es centres de rayonnement synchrotron sont des accélérateurs de particules qui génèrentun faisceau de lumière bien intense et collimaté en courbant la trajectoire d'un faisceau d´électronrelativiste. Le champ le plus simple utilisé pour courber la trajectoire d'un électron est unchamps magnétique constant généré par un dipôle. Des rayonnements plus intense peuventêtre émis dans une insertion. Une insertion est composée d'une séries de dipôle de polaritésinverses. Les insertions comprennent en général deux types : onduleurs et wigglers. Leswigglers sont très importants pour une source de rayonnement synchrotron. Ils peuvent êtreutilisé pour objectives différents, comme moduler le structure temporel de paquets d´électron,la production de faisceau de photon de haut énergie et réduire la taille transverse de faisceau.Ce travail est consacré pour l´étude de deux wigglers différent pour deux objective différents :le wiggler W164 et wiggler Robinson. Le W164 a étéconstruit pour la production des impulsionsde courte durée (femtosecond ) en utilisant le principe de femtoslicing. Dans le principede femtoslicing, si un faisceau d´électron se propage avec un faisceau de laser de durée defemtosecond dans le wiggler, ce dernier fait le rôle d'un modulateur qui extrait un “ slice “du paquet de durée de femtosecond qui émet à son tour un rayonnement X de durée de femtosecond.En plus, W164 fait un autre rôle d' une source rayonnement de photon des hautsénergies pour une autre ligne de lumière. La deuxième partie de ce travail est dédiée à l´étude d'unwiggler Robinson pour réduire l´emittance horizontal. L'effet Robinson à été étudié et observéexpérimentalement à SOLEIL avant la construction de wiggler. Les résultats sont présentés.Un pré-design a été aussi proposé. / Synchrotron light sources are particle accelerators that generate intense and highly collimatedradiation by bending the trajectory of a relativistic electron beam. The most commonsimple field used to deflect a relativistic electron beam trajectory is a constant magnetic fieldgenerated by bending magnet. More intense radiation can produced through insertion devices.An insertion device is made by combining short bending magnets of opposite polarities. Theyinclude in general two types: undulators and wigglers. Wigglers play an important role ina synchrotron radiation source, since they can be employed for different objectives such asmodulating the time structure of the electron bunch, generating high energy photons, andreducing the transverse beam size. This work studies two different wigglers for different purposes:W164 and Robinson wiggler. The wiggler W164 was constructed for the production offemtosecond light pulses based on the femtoslicing principle. Femtoslicing implies that if anelectron beam co-propagates through the wiggler with a femtosecond laser pulse, the wiggleracts on the electron beam as a modulator and extracts a femtosecond slice of the bunch thatcreates in turn a femtosecond X-ray pulse. Moreover, the W164 plays another role of being ahigh energy photon source for another beamline. The second topic studied here is reducing thehorizontal emittance by using Robinson wiggler. Robinson effect was studied and observedexperimentally at SOLEIL before the wiggler construction. A preliminary wiggler design isproposed

La radiothérapie utilise des faisceaux de particules dans le but d'irradier et d'éliminer les tumeurs cancéreuses tout en épargnant au maximum les tissus sains. La perte d'énergie en forme de pic de Bragg des protons dans la matière permet une amélioration balistique du dépôt de la dose par rapport aux rayons X. Le volume irradié peut ainsi être précisément ajusté au volume tumoral. Cette thèse, dans le cadre du projet RACCAM, vise à étudier et à mettre au point le design d'une installation de protonthérapie basée sur un accélérateur de particules à champ fixe et à gradient alterné FFAG dans le but de construire un aimant FFAG à secteur spiral pour validation. Nous présentons tout d'abord la protonthérapie pour définir un cahier des charges médicales définissant les critères techniques d'une installation de protonthérapie. Puis nous introduisons les accélérateurs FFAG par une présentation des projets passés et en cours dans le monde avant de développer la théorie de la dynamique faisceau dans le cas de l'optique à focalisation invariante. Nous décrivons ensuite les outils de modélisation et simulation mis au point pour étudier cette dynamique faisceau dans une optique FFAG à focalisation invariante et à secteur spiral. Nous expliquons par la suite la recherche des paramètres de l'optique ayant abouti à la construction d'un aimant prototype. Enfin, nous décrivons l'installation de protonthérapie du projet RACCAM depuis le cyclotron injecteur jusqu'au système d'extraction.

La thèse est axée sur l'étude des effets collectifs dans un anneau de stockage d'électrons de 50 MeV, ThomX, en l'absence d'amortissement synchrotron et d’adaptation longitudinale. Cette thèse est divisée en deux parties distinctes. La première partie correspond à la conception du modèle d'impédance (champ de sillage géométrique, résistif et rayonnement synchrotron cohérent) de l'anneau de stockage afin de simuler la dynamique faisceau. Le modèle d'impédance géométrique de l'anneau de stockage a été obtenu par la simulation des éléments individuels et a été vérifié en utilisant des mesures RF sur des prototypes. Le rayonnement synchrotron cohérent a été simulé en tenant compte d'une chambre à vide rectangulaire. Des simulations de la dynamique faisceau, de la cathode de canon RF à l'anneau de stockage, comprenant les effets collectifs sont présentées. Les simulations sont utilisées pour optimiser la dynamique faisceau dans l'anneau de stockage dans le régime de micro-paquet. La deuxième partie concerne l'étude du nuage d'ions produit par l'ionisation des molécules du vide résiduel et l'optimisation des techniques de nettoyage des ions. Les points d'accumulation longitudinaux des ions et le piégeage dans les champs magnétiques sont tous les deux étudiés analytiquement et en utilisant un programme développé à cet effet. Les électrodes de nettoyage et les espaces de nettoyages sont simulés et optimisés en utilisant ce code et la stratégie choisie pour la limitation des effets induits par les ions est décrite. Enfin, les effets de la multi-ionisation et de la dissociation ionique sont pris en compte et l'effet des ions sur le faisceau d'électrons est estimé. / The thesis is focused on the study of collective effects in a 50 MeV electron storage ring, ThomX, in the absence of synchrotron radiation damping and of longitudinal matching. This thesis is divided in two distinct parts. The first part corresponds to the design of the impedance model (geometric and resistive wakefields, coherent synchrotron radiation) of the storage ring in order to simulate the beam dynamics. The geometric impedance model of the storage ring was obtained via simulation of the individual elements and was checked using wire measurements on prototypes. The coherent synchrotron radiation was simulated taking into account a rectangular vacuum chamber. Beam dynamics simulations, from the RF gun cathode to the storage ring, including collective effects are presented. The simulations are used to optimise the beam dynamics in the storage ring in the micro-bunching regime. The second part is the study of the ion cloud produced by the ionisation of the residual vacuum molecules and the optimisation of the ion clearing techniques. The longitudinal ion accumulation points and the trapping in magnetic fields are both studied analytically and by using a tracking code developed for this purpose. Clearing electrodes and clearing gaps are simulated and optimised using this code and the strategy chosen for the limitation of ion induced effects is described. Finally, the effect of multi-ionisation and ion dissociation is taken into account and the ion effect on the electron beam is estimated.

Dans le cadre de l'Approche Elargie pour la Fusion conclue entre le Japon et l'Europe, le projet IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility) a été lancé pour l'étude des futurs matériaux pour la fusion qui devront résister à d'intenses flux de neutrons. Un composant majeur en est son ensemble de deux accélérateurs à très haute puissance (2×5 MW) qui produit le flux de neutrons en bombardant une cible de Lithium avec un faisceau de Deutérium à une énergie de 40 MeV. Vues ces spécifications ambitieuses, une première phase appelée EVEDA (Engineering Validation and Engineering Design Activity) prévoit l'étude et la réalisation d'un accélérateur prototype à l'échelle un jusqu'à 9 MeV au Japon. Le travail de cette thèse concerne le domaine de la Physique des Accélérateurs. Il consiste en des études de dynamique faisceau pour l'accélérateur prototype LIPAc, caractérisé par une intensité et une puissance jamais encore réalisées, exigeant de ce fait des qualités de faisceau exceptionnelles. Les caractéristiques de cet accélérateur, font qu'il requiert de nombreuses études et simulations pour toutes les étapes de sa mise en service. En parallèle, des études de fond sur les interactions coeur-halo et les effets de la charge d'espace dans les accélérateurs intenses, seront aussi menées. En particulier une nouvelle définition du halo d'un faisceau de particules, adaptée à l'étude de ces accélérateurs sera proposée et appliquée. / As part of the Broader Approach to Fusion concluded between Japan and Europe, the IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility) project was launched for the study of future fusion materials resisting intense neutron fluxes. A major component of it is the couple of twin high power accelerators (2 × 5 MW) which will produce the neutron flux by bombarding a Lithium target with a deuterium beam at an energy of 40 MeV. Considering these ambitious specifications, a first phase called EVEDA (Engineering Validation and Engineering Design Activity) is ongoing to provide the design and construction of an up to scale prototype accelerator to an energy of 9 MeV in Japan. The work of this thesis belongs to the field of Accelerators Physics. It consists of beam dynamics studies for the prototype accelerator LIPAc, characterized by unprecedented current and power, thereby requiring outstanding beam quality. The characteristics of this accelerator, makes many studies and simulations for all stages of its commissioning required. Concurrently, background studies on core-halo interactions and on the effects of space charge on high current beams will also be conducted. In particular a new definition of the halo of a particle beam, adapted to the study of these accelerators will be proposed and implemented.