Etude et conception d'une cavité Fabry-Perot de haute finesse pour la source compacte de rayons X ThomX

Study and conception of a high finesse Fabry-Perot cavity for the compact X-rays source ThomX

• Auteur / Autrice : Pierre Favier
• Direction : Fabian Zomer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des accélérateurs
• Date : Soutenance le 20/11/2017
• 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 : Laboratoire : Laboratoire de l'accélérateur linéaire (Orsay, Essonne ; 1969-2019)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Achille Stocchi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabian Zomer, Achille Stocchi, Alessandro Variola, Éric Cormier, Marc Hanna, Antoine Courjaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alessandro Variola, Éric Cormier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fabry-Pérot, Interféromètres de

Résonateurs lasers

Compton, Effet

Mots clés libres

Laser

Optique

Cavité

Compton

Rayons X

Radiothérapie

Laser

Optics

Cavity

Compton

X-rays

Radiotherapy

Résumé

La diffusion Compton inverse est un moyen unique pour produire des rayons X quasi-monochromatiques via l'interaction entre des électrons relativistes et une impulsion laser. Ce processus présente l'avantage de produire des flux très élevés de rayons X avec des énergies supérieures à quelques dizaines de keV. De plus, la divergence du faisceau de sortie est beaucoup plus grande que dans les sources de lumière synchrotron classiques et le faisceau de rayons X est donc plus facile à manipuler. Nous présentons une source de rayons X en construction à l'Université Paris-Sud, ThomX. Cette source utilise un faisceau d'électrons de 50 MeV qui interagit à 16,7 MHz avec une impulsion laser de quelques picosecondes dont la puissance moyenne est à l'état de l'art avec 600 kW, permettant de produire des rayons X entre 30 et 50 keV avec un flux de 10^{13} ph/s. Cette gamme d'énergie ainsi que la dépendance énergie-angulaire provenant du processus physique conviennent aux applications sociétales comme la radiothérapie ou l'histoire de l'art.Une cavité optique de très haute finesse (> 24000) est utilisée comme prototype pour effectuer des travaux de R&D pour la source ThomX. 400 kW de puissance laser moyenne ont été stockés avec succès dans cette cavité, en utilisant un faisceau laser d'entrée de seulement 40 W. Ce résultat, unique au monde, permet d'envisager l'achèvement de la source de rayons X de faible coût et de haut flux ThomX. Cette thèse explique les études expérimentales et analytiques qui ont été réalisées pour atteindre cette performance, dont une généralisation du processus d'empilement des impulsions laser pour les faisceaux laser ayant une fréquence de répétition différente de celle de la cavité, et les méthodes développées pour l'amélioration expérimentale du couplage spatial.

Inverse Compton Scattering provides a unique way to produce quasi-monochromatic X-rays via the interaction of relativistic electrons with a laser pulse. This process has the advantage of producing very high fluxes of X-rays with energies above a few tens of keV. In addition the output beam divergence is much larger than in classical synchrotron light sources and the X-ray beam is thus easier to manipulate. We present an X-ray source under construction at Paris-Sud University, ThomX. This source uses a 50 MeV electron beam that collides at 16.7 MHz with a few picoseconds pulsed laser beam whose power is enhanced at the state of the art 600 kW average power to produce X-rays between 30 and 50 keV with a flux of 10^{13} ph/s. This energy range as well as the energy-angular dependence coming from the physical process are suitable for societal applications like radiotherapy or art history.A very high finesse optical cavity (> 24000) is used as a prototype to perform R&D for the ThomX source. 400 kW of average laser power have been successfully stored in this cavity, using an input laser beam of only 40 W. This result, unique in the world, is a pathway towards the completion of the low-cost, compact, high flux X-ray source ThomX. This thesis explains the experimental and analytical studies that have been performed to reach this performance, including a generalization of the process of laser pulse stacking to frequency-detuned laser beams, and the methods developped for experimental spatial coupling enhancement.