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16 Octobre 2013

Point sur l’évolution de l’accélérateur d’électrons ELSA du CEA vers 40 MeV pour une source X Compton 10 à 100 keV V. Le Flanchec, P. Balleyguier, A. Bayle, A. Binet, J.-P. Nègre, M. Millerioux, J.-F. Devaux, V. Jacob, A. Chaleil, S. Joly. Journées Accélérateurs de la SFP - Roscoff.

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16 Octobre 2013

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Presentation Transcript

  1. Point sur l’évolution de l’accélérateur d’électrons ELSA du CEA vers 40 MeV pour une source X Compton 10 à 100 keV V. Le Flanchec, P. Balleyguier, A. Bayle, A. Binet, J.-P. Nègre, M. Millerioux, J.-F. Devaux, V. Jacob, A. Chaleil, S. Joly • Journées Accélérateurs de la SFP - Roscoff • CEA – DAM – DIF • 16 Octobre 2013 CEA | 10 AVRIL 2012

  2. I - Introduction ELSA 19 MeV Point de départ : Thèse financée par contrat CIFRE THALES en 2008 (A.-S. Chauchat) • Pour applications médicales.  Pour applications sociétales (art, culture) • Objectif : démonstration de principe • Résultat : Premiers photons X émis à 10 keV Besoin DAM identifié pour métrologie X (notamment temporelle) sur le Laser Mégajoule • Caractérisation de caméra à balayage de fente. • Caractérisation de caméra à imagerie intégrale. • Spectrométrie résolue en temps. Intérêt de ce type de source : • De 10 à 100 keV : domaine X très durs • Continûment accordable • Impulsionnelle mono-coup (modes macropulse et récurrent possibles) • Accès direct

  3. Sommaire • I - Introduction • II - Rappel des résultats 2010 • III – Description de l’évolution « ELSA 40MeV » pour la source Compton • IV - Etat d’avancement : • IV.1 - du système d’empilement de photons • IV.2 - des études d’émittance • IV.3 - de la conception de la nouvelle ligne électrons • IV.4 - des cavités accélératrices • IV.5 - de l’implantation du klystron • V - Bilan et perspective CEA | 10 AVRIL 2012

  4. II - Rappel des résultats 2010 Résultats de la thèse d’A.-S. Chauchat Visualisation du cône de rayonnement à l’aide d’ERLMs

  5. III – Description de l’évolution « ELSA 40MeV » pour la source Compton Objectif : dépasser 1018 ph/s/cm² à 1 m de la source (mono-impulsion) en régime mono-impulsion de 15 ps LTMH Passer ELSA de 17 à 40 MeV permet un gain important en nombre de photons à 27 keV : • 4 fois plus de photons à 1064 nm. • Charge jusqu’à 4 nC en utilisant impulsions longues + compression. • Meilleure émittance, donc point de focalisation plus petit • Faisceau plus pincé donc densité de photons plus élevée. Energie des photons X produits et flux attendu calculé pour différentes configurations electrons/photons Principe de l’évolution basée sur : • un post-accélérateur • un linéariseur du champ électrique accélérateur  optimisation de la compression d’impulsions • un système d’empilement/recyclage de photon applicable en mono-coup.

  6. E Df dE t dt Schéma de l’implantation du linéariseur et du post-accélérateur sur ELSA Imparfait à cause de la courbure locale Linéarisation du champ par ajout d’une cavité décélératrice 1,3 GHz

  7. Voir informations détaillées sur le poster de P. Balleyguier Système d’alimentation du post-accélérateur et du linéariseur par un klystron unique

  8. IV - Etat d’avancement… • IV.1 - du système d’empilement de photons • IV.2 - des études d’émittance • IV.3 - de la conception de la nouvelle ligne électrons • IV.4 - des cavités accélératrices • IV.5 - de l’implantation du klystron CEA | 10 AVRIL 2012

  9. M1 M8 M3 M10 M6 M4 M13 M12 M5 P M2 M14 M7 M11 Plateau 1 M9 Trajectoires concourantes Plateau 2 Laser trou Miroirs orientables Laser Trajectoire des électrons IV-1 … du système d’empilement des photons Augmentation du nombre de photons laser pour l’interaction : Système Multi-passage pour Interaction Laser-Electrons (SMILE) • Principe : système de miroirs hors axe, permettant de faire concourir les trajectoires en un point unique. • Train d’impulsions réparties dans le temps à une cadence fixe. • Arrivée de plusieurs impulsions au même point et au même moment : émission de N impulsions laser pour 1 seule impulsion électron. • Gain de l’ordre de N (dépend de la qualité de la réflexion sur chaque miroir). • Etude détaillée en cours : • Aspects interférentiels dans la zone d’interaction. • Etude des effets de la polarisation du laser. • Présence d’un waist à chaque passage en P. • Alignement, sensibilité. • ….

  10. Plateau 1 Plateau 2 Rayon de courbure des miroirs : Demi-distance inter-plateaux Faisceau laser 10 mrad Faisceau d’X 12 mrad 30 mrad Faisceau d’électrons 10 mrad Faisceau laser Point d’interaction Distance dépendant de la fréquence de répétition des impulsions laser Vue de profil du SMILE : • Idée applicable en « mode récurrent » en plaçant le SMILE en cavité

  11. Etude préliminaire d’implantation sur ELSA : Triplet de quadrupôles Point d’interaction Tube à vide 30 40 15 250 250 500 Choix de la fréquence (arbitraire pour un fonctionnement mono-coup) : 144 MHz – lié à la longueur du système Distance inter-plateaux ~ 1 m Diamètre des miroirs : 6 mm Diamètre du plateau ~ 30 mm  Le SMILE est très fin : il rentre sans problème à l’intérieur des tubes à vide de l’accélérateur !

  12. IV-2 … des études d’émittance Situation idéale : électrons photons En réalité : Rayon rms r ~ 50 à 100 µm électrons photons divergence rms q ~ 10 mrad Il faut se rapprocher le plus possible de la situation idéale  émittance la plus petite possible Rayon visé : 50 µm rms Divergence visée : 10 mrad rms Émittance géométrique max = 0,5 µm rms Émittance normalisée max @34 MeV (g = 67) = 33 µm rms Émittance normalisée max @24 MeV (g = 48) = 24 µm rms Notre objectif : maintenir l’émittance normalisée à moins de 20 µm rms.

  13. Campagne de mesure principale 03/12 + Campagne de confirmation 09/12 • Montée en charge de 0,8 à 3,3 nC : sans problème. Extraction jusqu’à 7,8 nC (durée 75 ps). OK (objectif 4 nC). • Valeur de l’émittance dans le cas 3,3 nC 75 ps : 6,5 µm, 7,6 µm rms. OK • Tests à très forte charge (au-delà de l’objectif de 4 nC) : 7,8 nC : émittance 5,5 µm, 18 µm. «OK » Bon comportement à confirmer lorsque la compression d’impulsion sera optimale, c’est-à-dire après l’installation du linéariseur. En effet : la charge d’espace sera plus élevée à cause de la compression temporelle.

  14. CCD IV-3 … de la conception de la nouvelle ligne électrons CCDspectro 2 Electrons Dipôlevertical Dipôlevertical CCDspectro 1 Vue de côté Bobine Vue de dessus Ecran RTO Coupe Faraday Dipôlehorizontal Coupe de FaradayF 80 Électrons après l’interaction électrons X Zone utilisateurs Blindage laser Sol • Quart de tour vers la ligne Bremsstrahlung amovible. • Insertion d’un déviateur magnétique pour sortir le faisceau d’électrons de la ligne X Compton. • Stoppeur placé au sol (électrons envoyés verticalement dans Beam Dump). • Utilisation d’un dipôle disponible sur ELSA. • Utilisation de quadrupôles disponibles sur ELSA. • Dipôle vertical étudié spécifiquement.

  15. Etude de la ligne dans le logiciel BeamLeader Plan de la ligne v.1 Taille en C0 :rx = 43 µm rmsry = 54 µm rms  maintenir l’émittance < 13 µm rms

  16. Réalisation du seul nouvel élément de ligne en cours (SEF) : Dipôle de déviation verticale.

  17. IV-4 …des cavités accélératrices • Cellules calculées sur MAFIA puis vérifiées sur MicroWave Studio. • Réalisation par la société SDMS. • Livraison attendue oct 2013. Cavité du linéariseur (une seule cellule) Post accélérateur : 10 cellules

  18. Photos des cellules individuelles (06/13)

  19. Caractérisation des cellules (07/13) La cellule 5 mesurée en premier : Fréquence : 1302,77 MHz (simulation : 1303,37 MHz). Fréquence visée après reprise : 1293,69 MHz. reprise de 0,87 mm (au rayon). Excellent accord simulations/mesures

  20. Cavités assemblées

  21. Construction du bâtiment d’accueil du klystron et des nouvelles électroniques pour ELSA 40 – juillet 2012

  22. Implantation dans le bâtiment : été 2013.

  23. V - Bilan et perspectives • Etudes sur le SMILE : en cours. Etude détaillée et réalisation d’ici fin 2014. • Etudes sur l’émittance : OK. Devra être confirmé par des mesures avec linéariseur en place. • Etude préliminaire ligne électrons terminée. • Extension au bâtiment technique d’ELSA terminé. • Transfert klystron : câblage en cours. Test fin 2013. • Réception des cavités accélératrices oct 2013. • En 2014 : • Mise en fonction et test post-accélérateur et linéariseur. • Déploiement guides d’onde. • Etude et déploiement de la ligne de transport laser. • Conception et réalisation de la chambre d’interaction Compton (SMILE y compris) + Déploiement diags pour la source X. • Premiers photons Compton attendus début 2015

  24. Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives Centre DAM Ile-de-France| 91297 Arpajon Cedex T. +33 (0)1 69 26 40 00 Etablissement public à caractère industriel et commercial | RCS Paris B 775 685 019 DIF CEA | 10 AVRIL 2012

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