Doctorant système de contrôle pour cavité supraconductrices

Développement des systèmes innovants destinés au contrôle et au pilotage en temps réel des cavités supraconductrices du projet PERLE.

Il est nécessaire de réguler finement en temps réel l’amplitude, la phase et la fréquence du champ accélérateur de chaque cavité en pilotant la source de puissance radiofréquence associée. Il est également très important d’adapter le fonctionnement du système RF des cavités aux paquets/impulsions du faisceau d’électrons accéléré. Dans ce but on utilise des systèmes d’asservissements, dit « Low Level Radio Frequency system (LLRF) ». Dans un passé encore récent ils étaient analogiques et/ou hybrides (analogique/digital). Aujourd’hui l’utilisation des techniques numériques, permet une intégration poussée et une grande flexibilité. La conception des systèmes RF et d’asservissement LLRF pour les accélérateurs de particule nécessite l’utilisation d’outils de simulation électromagnétique, mécanique, thermique pour ce qui concerne les éléments RF tels que les cavités et les coupleurs de puissance. Pour les dispositifs électroniques des outils du même type peuvent être utilisés en plus des outils de simulation intégrant le traitement du signal sans oublier des outils logiciels de programmation des composants numériques. Des programmations de haut niveau sont aussi mises en œuvre pour communiquer avec les systèmes de supervision.

Enfin l’utilisation des techniques d’Intelligence Artificielle, par exemple de type « machine learning » sont proposées et doivent être étudiées et évaluées pour permettre leur intégration dans le pilotage fin des cavités supraconductrices. 

plusieurs phases :

une revue de l’état de l’art des solutions LLRF existantes sera réalisée tant sur le plan matériel (standards, techniques, etc.) que celui du traitement du signal, impliquant une compréhension des éléments RF utilisés, notamment les cavités supraconductrices, le coupleur RF de puissance, les amplificateurs RF de puissance, tout en prenant en compte des contraintes imposées par le cahier des charges de l’accélérateur. L’étudiant participera à des expériences de caractérisation de ces éléments RF notamment et développera un modèle de simulation complet échantillonné à l’aide du logiciel Matlab/Simulink.

l’étudiant effectuera la mise au point et validera le fonctionnement de l’ensemble en l’appliquant aux différentes cavités utilisées sur le projet PERLE. S’en suivi l'optimisation pour obtenir les paramètres de régulation adéquats qui nécessitera l’implémentation en VHDL de nouveaux algorithmes, par exemple du type auto adaptatifs, pour traiter les modes d’opération du faisceau et des cavités. 

les configurations définies avec le simulateur seront testées pour validation sur des cavités réelles, en cryostat vertical à 2K. Ces expériences seront développées dans le cadre du projet ISAS (Innovate for Sustainable Accelerating Systems) soutenu par le Projet Européen HORIZON-INFRA-2023-TECH-01.

La thèse s’intègrera dans le travail développé actuellement à l’IJCLab Orsay, de design et de construction d’un accélérateur à faisceau d’électrons du type à récupération d’énergie (Energy Recovery Linac), le projet PERLE. Il s’agit de construire un démonstrateur pour valider l’utilisation de cette technologie dans différents domaines de recherche : en Physique des Particules sur des études liées au Futur Collisionneur Circulaire au CERN (FCC), en Physique Nucléaire associés aux équipements produisant des ions radioactifs, pour la production d’isotopes nécessaires dans les applications médicales et pour la transmutation,  et dans des nombreuses applications industrielles comme le développement des lasers FEL de haute puissance pour les futurs équipements de photolithographie destines à la production des circuits intégrés de nouvelle génération.

Un aspect important de ce nouveau projet consiste à réduire la consommation d’énergie nécessaire au fonctionnement de l’accélérateur et de diminuer l’empreinte carbone associée. Le système proposé permet de récupérer une fraction importante de l’énergie du faisceau d’électrons grâce au système de recirculation. 

L’accélérateur PERLE, est basé dans l’utilisation des Cavités Supraconductrices de nouvelle génération. Ces cavités accélératrices fonctionnent à très basse température (entre 4K et 2K) permettant la production de champs électromagnétiques atteignant jusqu’à plusieurs dizaines de MV/m. L’un des challenges est la puissance du faisceau accéléré (10MW)  nécessitant un très haut niveau de stabilité de faisceau et de fiabilité pour éviter la détérioration des composants de  l’accélérateur.  Un autre aspect essentiel pour le fonctionnement optimum du système de récupération d’énergie consiste au développement de nouveaux systèmes de contrôle et de pilotage de l’accélérateur permettant un parfait synchronisme des impulsions de faisceau par rapport aux champs RF générés dans les cavités accélératrices. 

Accelerators and Cryogenic Systems (ACS) est une entreprise spécialisée dans le développement d'accélérateurs de particules, de technologies supraconductrices et de systèmes et équipements cryogéniques.
ACS a été fondée par des membres de l'Institut de physique nucléaire d Orsay (IPNO, CNRS). Depuis sa création en 2009, ses ingénieurs et scientifiques exploitent une expertise dans le domaine des accélérateurs de particules qui leur vaut une reconnaissance mondiale.

Ecole d’ingénieurs, Université, Master, …

Physique Générale, Electromagnétisme, Informatique, Contrôle, Electronique embarquée …

L’étudiant(e) devra avoir des connaissances en électronique numérique, traitement du signal. Des connaissances en Radiofréquences ou Télécommunications,  programmation VHDL seraient un plus.

Anglais.