Développement d’une source de rayonnement X par diffusion Compton inverse sur l'accélérateur ELSA et optimisation à l'aide d'un système d'empilement de Photons

Development of a multi-keV Compton Source on ELSA linac and optimization with a photons piling-up sytem

• Auteur / Autrice : Annaïg Chaleil
• Direction : Rui Prazères
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des accélérateurs
• Date : Soutenance le 03/11/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (Arpajon). Direction des application militaires Île-de-France - Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (Arpajon). Direction des application militaires Île-de-France
• Jury : Président / Présidente : Marie-Emmanuelle Couprie
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rui Prazères, Marie-Emmanuelle Couprie, Christophe Szwaj, Thibaut Lefevre, Félicie Albert, Christelle Bruni, Fabian Zomer, Vincent Le Flanchec
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Szwaj, Thibaut Lefevre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Accélérateurs d'électrons

Rayons X -- Diffusion

Faisceaux laser

Mots clés libres

Source Compton Inverse

Systeme optique d'empilement de photons

Accélérateur linéaire

Rayonnement X

Inverse Compton scattering

X-Ray

Compact light source

Electron linac

Multipass optical system

Résumé

La diffusion Compton inverse est l’interaction entre un photon et un électron de haute énergie. Il en résulte l’émission d’un nouveau photon d’énergie supérieure à celle du photon incident suivant la trajectoire de l’électron. Ces propriétés rendent possible la création d’une source de rayonnement X hautement directive, monochromatique accordable dans une large gamme spectrale. Il suffit d’accélérer les électrons sur quelques mètres pour leur faire gagner l’énergie minimale requise. Les photons proviennent d’une chaîne laser fortement amplifiée. Une telle source est donc relativement compacte, peu couteuse à mettre en oeuvre et facilement accessible aux utilisateurs. Elle est particulièrement adaptée aux besoins des musées ou des hôpitaux pour des applications comme l’analyse d’oeuvres historiques ou la radiothérapie. L’objectif de cette thèse est de mettre en oeuvre une source de rayonnement X par diffusion Compton inverse en bout de ligne de l’accélérateur ELSA (Electrons et Laser, Sources X et applications). L’installation ELSA comprend un accélérateur linéaire d’électrons appartenant à la Direction des Applications Militaires du Commissariat à l’Energie Atomique à Bruyères-le-Châtel (CEA DAM). Le but est de produire des impulsions de rayonnement X ultra-courtes dans une gamme énergétique allant de 10 à 100 keV. Elle servira notamment à la caractérisation de détecteurs à réponse ultra-rapide développés à la DAM. Un système optique destiné à augmenter le flux de rayonnement X produit a été développé. Il consiste à replier la trajectoire du laser pour empiler les impulsions au point d’interaction. Dans le même but, une mise à niveau de l’installation à été réalisée afin d’augmenter l’énergie des électrons de 18 à 30 MeV. Les résultats expérimentaux ont enfin été comparés aux résultats obtenus à l’aide de simulations PIC 3D.

X-ray sources based on inverse Compton scattering process produce tunable near-monochromatic and highly directive X-rays. Recent advances in laser and accelerator technologies make the development of such very compact hard X-ray sources possible. These sources are particularly attractive in several applications such as medical imaging, cancer therapy or culture-heritage study, currently performed in size-limited infrastructures. The main objective of this thesis is the development of an inverse Compton scattering source on the ELSA linac of CEA at Bruyères-le-Châtel as a calibration tool for ultra-fast detectors.A non-resonant cavity was designed to multiply the number of emitted X-ray photons. The laser optical path is folded to pile-up laser pulses at the interaction point, thus increasing the interaction probability. Another way of optimizing the X-ray yield consists in increasing the electron bunch density at the interaction point, which is strongly dependent on the electron energy. A facility up-grade was performed to increase the electron energy up to 30 MeV. The X-ray output gain obtained thanks to this system was measured and compared with calculated expectations and 3D PIC simulations.