Projet d’Accélérateur Linéaire Radiofréquence pour une source de rayonnement X

1. Projet d’Accélérateur Linéaire Radiofréquence pour une source de rayonnement X J-L Lemaire CEA-DIF/DPTA et le groupe d’étude RX2RF

2. Sommaire • La radiographie X • Objectifs • Caractéristiques du projet DEINOS • Le photo-injecteur (générateur HT, laser, photo-cathodes) • L’accélérateur linéaire (RF optimisé SC) « filière radiofréquence » • La focalisation terminale (optimisation de la dispersion d’énergie) • Maquettage du photo-injecteur • Conclusions

3. Radiographie Eclair Image expérimentale Produire des rayons X intenses et pénétrants . . . . . . . . Conversion é Dose = f (I,V) Focaliser finement les électrons sur la cible . . . . . . . . . . . Tache focalesubmillimétrique Délivrer le faisceau pendant un temps de pose très court . . Durée d’impulsion 60 ns Disposer de détecteurs haute résolution

4. Objectifs • Conception d’un outil compact, sans R et D, capable de produire -un faisceau d’électrons stable, -aux caractéristiques reproductibles • Analyse des possibilités pour différents profils d’emploi (fonctionnements multi-axe, multi-temps) • Validation des choix technologiques retenus, en suivant une démarche de démonstration par partie • Validation des codes de calculs utilisés pour la dynamique faisceau • Caractérisation des faisceaux obtenus

5. Axe principal : accélérateur à induction (AIRIX) RX2 (second axe / étude de différentes solutions : filières) Filière Induction non retenue

6. Filière Diode Rod - pinch Résultats expérimentaux 2 - 4 – 6 MV, 50 - 100 kA Tache focale < 2mm 4axes, 4 temps, 4 Diodes 7 MV sur la diode, avec 50 étages, L=10 m Filière GD expérimentale en construction

7. Filière laser Couplage d’une fraction de l’énergie laser à la cible sous forme d’énergie cinétique électronique Propagation des électrons de quelques MeV dans le matériau Production de rayonnement de Bremsstrahlung Dose utile prédite 0.1 Rad @ 1m pour 10 J « utiles » à une puissance d’éclairement  5 10 19 W/cm2 1 Dimension tache focale ~ 100 µm Durée de l’impulsion laser 350 fs, durée impulsion X ~ 100 ps 90J – 10 20 W/ cm2 dose 2.3 Rad @ 1m, 1021 W/cm2 100 Rad @ 1m !!! Filière Laser prometteuse(présentation E. Lefebvre)

8. Laser Cavités accélératrices Cible de conversion X Diode et PK Géné HT Focalisation terminale Linac RF Supra Conducteur Photo-injecteur Filière RX2RF: projet DEINOS DEmonstrateurd’INjecteur Optimisé pour un accélérateur Supraconducteur Durée d’une impulsion 55 ns , constituée de 20 micro-impulsions successives (paquets à 352 MHz) Chaque paquet porte une charge de 100 nC Energie de sortie du photo-injecteur: 2,5 MeV Energie du faisceau d’électrons délivré sur la cible: 51 MeV (mode de fonctionnement nominal). Diamètre du faisceau au point focal : millimétrique Dimension du faisceau au niveau de la cathode Enveloppe du faisceau dans l’accélérateur Dimension du faisceau sur la cible

9. Filière RX2RF: technologie pour l’injecteur (générateur Haute Tension) Injecteur « PIVAIR » Prime Power + Blumlein , terminée par un espace diode ~ 13 m de longueur maximum, ~1,1 m de diamètre Energie faisceau : 2,5 MeV « Machine à faible coût » technologie maîtrisée -récupération de pièces rechanges,,-jouvence nécessaire et adaptation au nouveau besoin en réduisant la longueur de ligne, étude du transfert PK Injecteur PIVAIR au CESTA

10. Filière RX2RF: technologie pour le laser 200 à 1000 ns ajustable Cadence : 352,209 MHz Cadence : 352,209 MHz 90 ps @266 nm LTMH 20 impulsions 20 impulsions Structure temporelle : Besoin en énergie : Rendement pK : 10% au début 3% au bout de 50h d’utilisation à 1 Hz 2% après plusieurs semaines d’utilisation 100 nC  25 µJ 2 µC  0,5 mJ Longueur d’onde : 266 nm Fort besoin en énergie à 1064 nm Profil : Homogène à l’intérieur d’un cercle

11. Horloge générale Redresseur macro-impulsion : Compensation du gradient de gain des amplis PhotoDétecteur + contrôle REDRESSEUR Schéma “bloc-diagramme”du laser Chaîne ampli ELSA Chaîne amplificatrice Nd :YAG Capacité : 80 mJ/macropulse profil quelconque Oscillateur SESAM 352,2 MHz, 180 ps Nd :YVO4 1064 nm 500 mW • 1,5 nJ / micro-impulsion • 30 nJ / macro Tout au long de la chaîne : gestion du profil transverse du faisceau : Filtrage spatial + utilisation de convertisseurs de profil gaussien – homogène Sélecteur d’impulsion  Contraste >100:1  Formation macropulse • 2 trains (« macro-impulsions ») de 20 micro-impulsions Doublage (KTP) + Quadruplage (BBO) AMPLIFICATION 0,5 mJ / macro-impulsion, profil homogène SOURCE

12. Filière RX2RF: technologie photo-cathodes Plan de l’enceinte d’évaporation Dépôts Cs Te par co-évaporation Photo-cathode en place

13. Filière RX2RF: technologie pour l’accélérateur Cellule accélératrice résonant à 352 MHz, cryomodule  « LEP » Accélérateur linéaire RF constitué de 4 cavités comportant chacune 4 cellules résonantes à 352 MHz, ~ 12 m de long, 1,7 m de diamètre Energie faisceau : 51MeV pour E = 7.5 MV/ m « Machine compacte » technologie mature 1 cavité = 4 cellules à 352 MHz,

14. 0,9 m 2,5 m 12,5 m Photo-injecteur Cryomodule Cavités Solénoïde Cible Dynamique du faisceau d’électrons (1) Charge d’un paquet : 100 nC Nombre de paquets : 20 Fréquence des paquets : 352,2 MHz Energie finale : 51 MeV

15. Dynamique du faisceau d’électrons (2) Codes utilisés: MAGIC, PARMELA, TraceWIN/PARTRAN Distribution initiale : 2,5 MeV, Water-bag Dimension du faisceau d’électrons sur la cible : 1,2 mm

16. Dynamique du faisceau (3): beam loading • Chaque cavité communique : • 12,1 MeV aux particules • 450 MW au faisceau sur 55 ns, soit 24 J. Il est impensable de fournir aux cavités une telle puissance ! Les cavités sont donc initialement remplies : 159 J La tension accélératrice initiale des cavités est alors : 12,7 MV Les paquets pompent cette énergie les uns après les autres • la tension accélératrice finale est : 16,2 MV • le gain en énergie par cavité passe de 12,1 MeV • à 11,1MeV du premier au dernier paquet.

17. Focalisation terminale: influence du beam loading Le dernier paquet arrive avec une énergie de 49,2 MeV au lieu de 53,1 MeV pour le premier paquet. Dernier paquet Premier paquet Cible Effet chromatique dans le solénoïde

18. - action 2006: Laser Prime power Diode et PK Géné HT diode laser Photo-inecteur Mesure faisceau Maquettage photo-injecteur Faisceau é haute tension pulsée + laser + PK Maquettage photo-injecteur (démonstration du principe de fonctionnement) Prime Power + « Blumlein » , terminé par un espace diode, laser, espace de métrologie faisceau Energie faisceau :  1,5 MeV « Maquettage très faible coût » -fabrication d’un tube accélérateur, -test insertion des photocathodes, -tests photo-émission (mesure courant, énergie, durée impulsion) -tests de courant d’obscurité -tests de stabilité et de reproductibilité

19. Conclusions (1) • Design d’une machine pour produire un faisceau d’électrons de 51 MeV, 2 µC, 55 ns de dimension millimétrique, • La forte charge faisceau impose un mode de fonctionnement particulier qui consiste à pré-charger les cavités en énergie et les laisser se vider avec le passage du faisceau • L’architecture de la filière proposée permet un fonctionnement multi-temps, multi-axe, • Une phase de maquettage de la partie géné HT et photo injecteur à énergie réduite débute en 2006

20. Conclusions (2) L’obtention d’une tache électronique minimale au point focal nécessite trois actions à moyen terme: • - optimisation de la focalisation terminale achromatique, - réduction de la dispersion en énergie des paquets grâce au réglage de la phase synchrone alternativement positive et négative, -réduction de la dispersion en énergie de l’impulsion, par désaccord des cavités