Published December 19, 2023 | Version v1
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Numerical and experimental study of electron beam dynamics in linear induction accelerators

Description

Flash radiography allows characterizing the state of a dense object subjected to extreme physical conditions, with displacement velocities of several kilometres per second. These conditions require a specific X-ray source: small size (a few millimetres), brief duration (less than 100 ns), high energy (around 20 MeV) and high current (a few kA). This source is produced using Bremsstrahlung radiation generated by the interaction of an intense and pulsed electron beam with a high atomic number metal target. A velvet cathode emits the beam and an linear induction accelerator (LIA) transports it. The quality of radiography is mainly conditioned by the physical characteristics of the X-ray source, which are closely linked to the properties of the electron beam. The work carried out in this PhD thesis aims to model the beam dynamics in LIAs by integrating its physical characteristics, including some instabilities which degrade the beam. The developed models were validated during the commissioning of the MCH3 accelerator at CEA Valduc in Epure facility.The modelling of beam dynamics is based on the Particle-In-Cell (PIC) code LSP-Slice and the transport code EVOLI (Evolution of Instabilities). The latter was developed during this thesis and models the size of the beam envelope and its charge centroid, as well as the 'temporal' propagation of the beam by its segmentation into discs.In the first place, studies were conducted on the motion of the beam centroid during its transport. In EVOLI, the equations describe the centroid with the influence of space charge. A numerical optimization procedure allowed the simulation to reproduce the results obtained in MCH3 by incorporating the influence of the Earth's magnetic field and the misalignment of various magnetic elements (solenoids and steerers). The application of this new method to other beam transports makes possible to calculate steerer settings for numerical pre-centering of the beam. This method offers the prospect of significant time savings during the experimental beam centering process, which typically requires numerous shots.Afterward the beam modelling contributed to the commissioning of MCH3 accelerator at the end of 2022. With an initial transport attempt, the entire beam charge did not reach the conversion target, despite numerical simulations predicting nominal transport based on the envelope formalism. Experimental measurements revealed significant centroid oscillations due to the Beam Break-Up (BBU) instability. Then, a simplified BBU model was incorporated into EVOLI. By using this numerical model, a new high magnetic field transport was designed, theoretically limiting BBU intensity at the accelerator end by a factor 2.5. This result was experimentally verified by a BBU reduction by a factor 3, enabling a stable and reproducible transport of the entire beam charge to the target. However, this strong magnetic field transport strategy leads to an increase of the Corkscrew motion, which increases with magnetic field strength as shown in the work initiated in this thesis. Therefore, optimizing beam transport is a compromise between the various instabilities within the accelerator. The work of this thesis opens up prospects for considering instabilities to design innovative transports, particularly in the context of multi-pulse machines, which are currently a major development in flash radiography machines. (author)

Abstract (French)

La radiographie eclair est une technique permettant de caracteriser l'etat d'un objet dense soumis a des conditions physiques extremes, avec des vitesses de deplacement de plusieurs km/s. Dans ces conditions, il est necessaire d'avoir une source de rayonnement X specifique: faible dimension (quelques mm), duree breve (inferieure a 100 ns), haute energie (autour de 20 MeV) et intense (quelques kA). Elle est produite a l'aide du rayonnement de freinage genere par l'interaction d'un faisceau intense et pulse d'electrons avec une cible de metal de numero atomique eleve. Ce faisceau est emis par une cathode en velours puis transporte dans un accelerateur lineaire a induction (LIA). La qualite d'une radiographie est majoritairement conditionnee par les caracteristiques physiques de la source X, elles-memes intimement liees aux proprietes du faisceau d'electrons. Les travaux menes dans cette these visent a modeliser la dynamique du faisceau dans les LIA en integrant ses caracteristiques physiques dont certaines instabilites degradant le faisceau. Les modeles developpes ont ete valides lors de la mise en service de l'accelerateur MCH3 implante au CEA Valduc sur l'installation Epure. La modelisation de la dynamique du faisceau repose sur le code Particle-In-Cell LSP-Slice et le code de transport EVOLI (EVOLution des Instabilites). Ce dernier a ete developpe lors de cette these et modelise la dimension de l'enveloppe et du barycentre des charges (centroide) du faisceau ainsi que la propagation 'temporelle' du faisceau par le biais d'un decoupage de ce dernier en disque. Dans un premier temps, des etudes ont ete menees sur le mouvement du centroide du faisceau lors de son transport. Dans EVOLI, les equations decrivent le centroide avec l'influence de la charge d'espace. Une procedure d'optimisation numerique a permis de reproduire par simulation les resultats obtenus dans MCH3 en integrant l'influence du champ magnetique terrestre et les defauts d'alignement des differents elements magnetiques (solenoides et deviateurs). L'application de cette nouvelle methode sur d'autres transports permet d'envisager de calculer des consignes des deviateurs afin de pre-centrer le faisceau numeriquement. Cette methode laisse entrevoir un gain de temps significatif lors du centrage experimental du faisceau necessitant de nombreux essais. Dans un second temps, la modelisation du faisceau a permis de contribuer a la mise en service de l'accelerateur MCH3 en fin d'annee 2022. Un premier transport n'a pas permis de mener la totalite de la charge du faisceau jusqu'a la cible de conversion, bien que les simulations numeriques predisaient un transport nominal base sur le seul formalisme de l'enveloppe. Les mesures experimentales ont montre des oscillations importantes du centroide dues a l'instabilite Beam Break-Up (BBU). Un modele simplifie du BBU a alors ete integre dans EVOLI. Par l'utilisation de ce modele numerique, un nouveau transport a champ magnetique fort a ete concu limitant theoriquement d'un facteur 2,5 l'intensite du BBU en sortie de ligne acceleratrice. Ce resultat a ete verifie experimentalement par la reduction significative du BBU d'un facteur 3 permettant de transporter l'integralite de la charge du faisceau de maniere stable et reproductible jusqu'a la cible. Cette strategie de transport du faisceau a champ magnetique fort admet cependant une limite puisqu'elle exacerbe le mouvement Corkscrew qui augmente avec le champ magnetique tel que montre par le travail initialise dans cette these. L'optimisation du transport est donc un compromis entre le poids des differentes instabilites au sein de l'accelerateur. Les travaux de cette these ouvrent des perspectives sur la prise en compte des instabilites afin de concevoir des transports innovants particulierement dans le cadre de machines multi-impulsion constituant a l'heure actuelle un developpement majeur des machines de radiographie eclair

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Original title (French)
Etude numerique et experimentale de la dynamique des faisceaux d'electrons dans les accelerateurs lineaires a induction

Publishing Information

Imprint Pagination
149 p.
Report number
FRCEA-TH--16811

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