Point sur lvolution de lacclrateur dlectrons ELSA du

Point sur l’évolution de l’accélérateur d’électrons ELSA du CEA vers 40 Me. V pour une source X Compton 10 à 100 ke. V V. Le Flanchec, P. Balleyguier, A. Bayle, A. Binet, J. -P. Nègre, M. Millerioux, J. -F. Devaux, V. Jacob, A. Chaleil, S. Joly CEA – DAM – DIF Journées Accélérateurs de la SFP - Roscoff 16 Octobre 2013 30 November 2020 CEA | 10 AVRIL 2012 | PAGE 1

I - INTRODUCTION 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 ke. V 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 ke. V : domaine X très durs Continûment accordable Impulsionnelle mono-coup (modes macropulse et récurrent possibles) Accès direct ELSA 19 Me. V

Sommaire § I - Introduction § II - Rappel des résultats 2010 § III – Description de l’évolution « ELSA 40 Me. V » pour la source Compton CEA | 10 AVRIL 2012 | PAGE 3 30 November 2020 § 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

II - Rappel des résultats 2010 Résultats de la thèse d’A. -S. Chauchat Visualisation du cône de rayonnement à l’aide d’ERLMs Conditions expérimentales Energie électrons Longueur d'onde photons Durée Nb d'impulsions par macro-impulsion Récurrence des impulsions Charge par impulsion Energie des impulsions laser 17 Me. V 532 nm 12, 7 ps rms 100 72 MHz 0, 24 n. C 0, 7 m. J Demi-angle de cône de rayonnement Nb de photons par macro-impulsion Nb de photons par impulsion 10 mrad 1, 2 104 120 24 mrad 3 104 300

III – DESCRIPTION DE L’ÉVOLUTION « ELSA 40 MEV » 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 Me. V permet un gain important en nombre de photons à 27 ke. V : 4 fois plus de photons à 1064 nm. Charge jusqu’à 4 n. C 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 Configuration Photons / e- E des photons X produits (ke. V) Flux attendu ph/s/cm² 1064 nm / 24 Me. V 10 3, 3 1017 1064 nm / 34 Me. V 20 1, 3 1018 1064 nm / 37 Me. V 23 2 1018 532 nm / 37 Me. V 46 5 1017 266 nm / 37 Me. V 92 2, 5 1016 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.

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

Système d’alimentation du post-accélérateur et du linéariseur par un klystron unique Voir informations détaillées sur le poster de P. Balleyguier 30 November 2020

§ IV - Etat d’avancement… CEA | 10 AVRIL 2012 | PAGE 8 30 November 2020 § 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

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) M 6 M 1 M 8 M 3 M 10 M 4 M 13 M 12 M 14 Plateau 1 Laser M 5 P M 11 Trajectoires concourantes M 7 M 9 Plateau 2 trou Miroirs orientables 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). Laser Etude détaillée en cours : § Trajectoire des électrons § § 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. ….

Vue de profil du SMILE : 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 Idée applicable en « mode récurrent » en plaçant le SMILE en cavité

Etude préliminaire d’implantation sur ELSA : Triplet de quadrupôles Point d’interaction Tube à vide 30 40 15 250 500 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 ! 30 November 2020

IV-2 … DES ÉTUDES D’ÉMITTANCE Situation idéale : électrons photons En réalité : électrons Rayon rms r ~ 50 à 100 µm 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 Me. V (g = 67) = 33 µm rms Émittance normalisée max @24 Me. V (g = 48) = 24 µm rms Notre objectif : maintenir l’émittance normalisée à moins de 20 µm rms.

Campagne de mesure principale 03/12 + Campagne de confirmation 09/12 67 A Courant crête 44 A 104 A Charge Durée laser LTMH Energie cinétique des électrons Champ 144 MHz Champ 433 MHz Durée après compresseur Emittance en O 1 Em. X rms Em. Y rms 0, 8 n. C 18 ps 2, 3 n. C 53 ps 3, 3 n. C 75 ps 5 n. C 75 ps 7, 8 n. C 75 ps 61 ps 88 ps 180 ps 03/12 09/12 03/12 13 µm 4 µm 5 µm 16 µm 21 µm 15 µm 10 µm 6, 5 µm 7, 6 µm 4 µm 9 µm 5, 5 µm 18 Me. V 2, 3 MV 15, 7 MV 34 ps 53 ps - Montée en charge de 0, 8 à 3, 3 n. C : sans problème. Extraction jusqu’à 7, 8 n. C (durée 75 ps). OK (objectif 4 n. C). - Valeur de l’émittance dans le cas 3, 3 n. C 75 ps : 6, 5 µm, 7, 6 µm rms. OK - Tests à très forte charge (au-delà de l’objectif de 4 n. C) : 7, 8 n. C : 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.

IV-3 … DE LA CONCEPTION DE LA NOUVELLE LIGNE ÉLECTRONS CCD Vue de côté D C tro Vue de dessus C D C C tro ec sp 2 Dipôle horizontal Electrons le pô cal i D rti ve 1 électrons Coupe Faraday X Dipôle vertical Bobine Ecran RTO Électrons après l’interaction Coupe de Faraday F 80 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.

Etude de la ligne dans le logiciel Beam. Leader Plan de la ligne v. 1 Taille en C 0 : rx = 43 µm rms ry = 54 µm rms maintenir l’émittance < 13 µm rms

Réalisation du seul nouvel élément de ligne en cours (SEF) : Dipôle de déviation verticale. 30 November 2020

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

Photos des cellules individuelles (06/13) 30 November 2020

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 30 November 2020

Cavités assemblées 30 November 2020

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

Implantation dans le bâtiment : été 2013.

V - BILAN ET PERSPECTIVES Ø Etudes sur le SMILE : en cours. Etude détaillée et réalisation d’ici fin 2014. Ø Etudes sur l’émittance : OK. Devra être confirmé par des mesures avec linéariseur en place. Ø Etude préliminaire ligne électrons terminée. Ø Extension au bâtiment technique d’ELSA terminé. Ø Transfert klystron : câblage en cours. Test fin 2013. Ø Réception des cavités accélératrices oct 2013. Ø 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. Ø Premiers photons Compton attendus début 2015

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