Optimisation de l'expérience Gbar pour la production d’ions positifs d’antihydrogène

L'expérience Gbar (Gravitationnal Behavior of Antihydrogen at Rest) située au CERN près de Genève a pour but de produire un grand nombre d'atomes d'antihydrogène, pour en mesurer l'accélération dans le champ de pesanteur.
Le principe repose sur la production d'ions posifs d'antihydrogène via deux réactions successives d'échange de charge qui ont lieu quand un faisceau d'antiprotons traverse un nuage de positronium. En 2022 Gbar a démontré son principe de fonctionnement en produisant ses premiers atomes d'antihydrogène via la première réaction d’échange de charge. Il s'agit maintenant d'optimiser et d'améliorer les différents éléments de l'expérience pour aboutir à la production d'anti-H+, notamment la ligne positons qui mène à la création du nuage de positronium. Le défi est d'augmenter la quantité de positons piégés dans le deuxième piège électromagnétique de cette ligne puis de les transporter efficacement vers la cible de conversion en positronium.
Le travail de thèse consistera à faire fonctionner, diagnostiquer, optimiser les deux pièges électromagnétiques de la ligne positons ainsi que le dispositif d'accélération et de focalisation des positrons sur la cible nanoporeuse pour obtenir un nombre suffisant de positroniums et aboutir à la production des ions antihydrogène. L'étudiant participera également à la campagne de mesures de l'étude de la contrepartie matière de la seconde réaction d'échange de charge réalisée à partir d'un faisceau d'ion H- au lieu du faisceau d'antiprotons.

Simulation et caractérisation de sources d’ions à très haute intensité

Les accélérateurs d’ions légers (protons, deutons…), à très haute intensité (typiquement supérieure à 50 mA) trouvent de nombreuses applications dans divers champs de la physique. Du projet d’accélérateur dIFMIF, caractérisant les futurs matériaux pour les réacteurs à fusion, à IPHI-Neutrons, produisant des images par radiographie neutronique, le CEA est impliqué dans de nombreux projets nécessitant la conception et la réalisation de sources d’ions à très haute intensité. La demande croissante en intensité et en qualité de faisceau de ces sources d’ions nécessite de mieux comprendre et prédire leur fonctionnement.
Les sources d’ions sont composées d’une chambre à plasma insérée dans une bobine magnétique, dans laquelle est injecté un gaz chauffé par une onde RF. Les ions produits sont extraits de la chambre grâce à un champ électrique appliqué sur des électrodes d’extraction. Leur fonctionnement repose donc sur un grand nombre de paramètres. La détermination d’un jeu de paramètres idéal est très complexe à réaliser, et aucun logiciel ne permet aujourd’hui de prédire avec assurance le bon fonctionnement d’une source d’ions.
Le CEA travaille depuis plusieurs années à la conception d’un banc de test, BETSI, permettant de tester et d’optimiser diverses sources d’ions pour de futurs projets accélérateurs. Des campagnes expérimentales ont été réalisées, par le passé, sur ce banc de test, pour tester des jeux de paramètres de façon systématique.
Dans le cadre de cette thèse, nous proposons de développer un code de simulation prenant en compte l’ensemble des paramètres que nous pourrons qualifier sur BETSI (sur les expériences passées ou de nouvelles). Nous pourrons alors utiliser le code pour proposer de nouvelles sources pour les nouveaux projets d’accélérateurs.

Implémentation d’un nouveau concept d'injecteur pour augmenter la charge accélérée dans les accélérateurs d’électrons laser-plasma afin d’en permettre des applications scientifiques et technologiques

L'interaction d’un laser ultra-intense avec un jet de gaz peut être utilisée pour accélérer des paquets d'électrons très courts jusqu'à des énergies très élevées (jusqu’à plusieurs GeV) sur quelques centimètres seulement, avec une technique appelée “Laser WakeField Acceleration” (LWFA). La taille réduite de ces dispositifs et la durée très courte des paquets d'électrons en font une source potentiellement intéressante pour plusieurs applications scientifiques et technologiques. Cependant, l’LWFA ne fournit généralement pas assez de charge pour la plupart des applications envisagées, en particulier si une qualité de faisceau élevée et des énergies importantes sont également requises. L’objectif de cette thèse est d’implémenter dans plusieurs laboratoires lasers à la pointe (en France et à l'international) un nouveau schéma d'injection LWFA récemment conçu dans notre groupe: une cible solide couplée à un jet de gaz pour accélérer beaucoup plus de charge que les schémas d'injection conventionnels, tout en préservant la qualité du faisceau. L'activité proposée est majoritairement expérimentale, mais avec la possibilité de participer aux activités de simulation numérique à grande échelle qui sont nécessaires pour réaliser le design d’une expérience et en interpréter les résultats. Le(a) doctorant(e) aura l'opportunité de participer aux activités d'une équipe dynamique avec de fortes collaborations nationales et internationales. Il/elle acquerra également les compétences nécessaires pour participer à des expériences d'interaction laser-plasma dans des installations d'envergure internationale. Enfin, il/elle aura la possibilité de participer à l’activité de modélisation numérique du groupe, réalisée sur les superordinateurs plus puissants au monde avec un code Particle-In-Cell open source à la pointe (WarpX, prix Gordon Bell en 2022).

Conception et réalisation d’un émittancemètre 4D pour la caractérisation de sources d’ions à très haute intensité

Les accélérateurs d’ions, dont protons, à très haute intensité (> 50 mA) trouvent de nombreuses applications dans divers champs de physique nucléaire ou de caractérisation des matériaux pour les applications médicales, nucléaires, etc. Le Département des Accélérateurs, de la Cryogénie et du Magnétisme (DACM) du CEA-Saclay est spécialiste de la conception et la réalisation de sources d’ions à très haute intensité.
Avec l’augmentation de l’intensité, ces sources deviennent de plus en plus complexes. Ainsi la maitrise de la qualité du faisceau devient critique, afin de limiter le dépôt de puissance et l’activation des éléments de l’accélérateur. Afin d’être en mesure de mieux comprendre et décrire ce faisceau, il est nécessaire de déterminer son émittance 4D, c’est-à-dire, à la fois la forme géométrique du faisceau mais aussi sa trajectoire. L’appareil permettant de faire cette mesure est appelée émittancemètre 4D.
Un tel dispositif basé sur un scintillateur a déjà été conçu et testé. Ce scintillateur convertit une partie du faisceau en une image, qui est ensuite captée par une caméra. Malheureusement, si cette technologie est fonctionnelle à haute énergie, elle ne convient pas en sortie de source, à faible énergie, car les couches de scintillation sont très rapidement endommagées par le flux d’ions.
La méthode de lecture par charge proposée dans cette thèse est inédite et profite de la synergie entre la recherche sur les détecteurs de particule pour la physique des hautes énergies et celle sur les sources de protons. Ainsi a la place d’une lecture par caméra, l’idée est de mesurer, à partir d’un PCB (circuit imprimé) placé directement dans le faisceau, le courant apporté par les ions. Cette méthode apporte la possibilité de lire ce courant en plusieurs milliers de positions afin d'obtenir l’émittance 4D. Le système d’acquisition rapide permettra également d’observer la variation temporelle de l’émittance pendant les phases de démarrage et d’arrêt de la source.
Ce dispositif sera utilisé en particulier pour l'analyse du faisceau produit par les sources ALISES développées par le laboratoire.

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