Etude de l'effet des imperfections optiques sur un faisceau de rayons X partiellement cohérent en combinant des simulations optiques avec des expériences de détection de front d'onde
Investigations of the effect of optical imperfections on partially coherent X-ray beam by combining optical simulations with wavefront sensing experiments
Résumé
This PhD project aimed at determining the effect of refractive lens shape errors, surface roughness and impurities on a partially coherent X-ray beam the characteristics of a typical undulator beamline after the ESRF-EBS upgrade. Based on recent developments, the mitigation of lens shape error employing corrective optics was also investigated. To achieve the proposed goals, this project was based on two pillars: a theoretical one and an experimental one, with technical aspects related to both. This project addressed important aspects of the ESRF-EBS X-ray optics R&D programme as laid out in the strategic upgrade plan (Orange book).The theoretical facet of the work involved studying the limitations of current modelling and approximations used in most simulation codes for dealing with the optical elements. After evaluating the validity of the existing tools, extensions and new developments were proposed. Adding to such simulations the capability of handling metrology data and developing a framework for the design of refractive corrective optics was also targeted. A subsequent aim was to incorporate such modelling into coherent- and partially-coherent X-ray beam propagation simulations to predict the effect of optical imperfections on an X-ray beam and compare the results with the literature and experimental data. The technical goals related to this theoretical part included the development of Python libraries for straightforward use of the newly developed modelling with "Synchrotron Radiation Workshop" (SRW) code for beamline design. Part of this implementation was developed in collaboration with O. Chubar (SRW author) during two scientific visits to the Brookhaven National Lab. in the U.S.A. This newly-developed Python library was the base for further integration in user graphical interfaces like OrAnge SYnchrotron Suit (OASYS).To obtain realistic results for the simulations, near-field X-ray speckle-based wavefront sensing techniques were used to characterise in-house produced lenses; lenses and free-form optics in the context of scientific collaborations; and newly-acquired commercial lenses. Measurement campaigns for at-wavelength metrology were routinely conducted at the BM05 beamline at the ESRF before its shutdown in early December 2018, the 1-BM beamline at the APS in Chicago during the year of 2019 and at the ID06 beamline, during the ESRF-EBS commissioning period in 2020. Besides the measurement of X-ray optics and curation of a metrology database for X-ray lenses, the technical goals of this experimental part were training the PhD candidate to be able to conduct X-ray experiments with understanding, proficiency and autonomy: the setting up the experimental setup at the beamline, data acquisition and data processing. Developing internal measurement protocols in terms of probe alignment and standardising the measurements and data analysis were also expected.At a later stage, investigating recent developments in additive and subtractive manufacturing techniques for the manufacturing of optical correction was also required. Designing and testing the performance on an X-ray beam of the first phase correctors at the ESRF was performed as a natural way of concluding the PhD.
Ce projet de doctorat visait à déterminer l'effet des erreurs de forme des lentilles réfractives, de la rugosité de surface et des impuretés sur un faisceau de rayons X partiellement cohérent ayant des caractéristiques similaires aux lignes de faisceaux de l'onduleur après la mise à niveau de l'ESRF-EBS. Sur la base de développements récents, l'atténuation des erreurs de forme des lentilles à l'aide d'optiques correctives a également été étudiée. Pour atteindre les objectifs proposés, ce projet reposait sur deux piliers : théorique et expérimental, avec des aspects techniques liés aux deux. Ce projet a abordé des aspects importants du programme de R&D en optique des rayons X de l'ESRF-EBS, tel qu'il est défini dans le plan stratégique de mise à niveau (Orange book).La facette théorique du travail a consisté à étudier les limites de la modélisation actuelle et les approximations utilisées dans la plupart des codes de simulation pour traiter les éléments optiques. Après avoir évalué l'adéquation des outils existants, la proposition d'extensions et de nouveaux développements. L'objectif était également d'ajouter aux simulations la capacité de traiter les données de métrologie et de développer un cadre pour la conception d'optiques réfractives correctives. Intégrer les modèles de simulation à des simulations cohérentes et partiellement cohérentes pour obtenir de manière réaliste l'effet des imperfections optiques sur un faisceau de rayons X et comparer les résultats avec la littérature et les données expérimentales. Les objectifs techniques liés à cette partie théorique comprenaient le développement de bibliothèques Python permettant d'utiliser facilement la modélisation nouvellement développée avec le code "Synchrotron Radiation Workshop" (SRW) pour la conception des lignes de faisceaux. Une partie de cette implémentation a été développée en collaboration avec O. Chubar (auteur du SRW) au cours de deux visites scientifiques au Brookhaven National Lab. aux États-Unis. Cette bibliothèque Python nouvellement développée a servi de base à une intégration plus poussée dans des interfaces graphiques utilisateur telles que OrAnge SYnchrotron Suit (OASYS).Afin d'obtenir des résultats réalistes pour les simulations, des techniques de détection du front d'onde en champ proche basées sur le speckle des rayons X ont été utilisées pour caractériser les lentilles produites en interne ; les lentilles et l'optique à forme libre dans le cadre de collaborations scientifiques ; et les lentilles commerciales nouvellement acquises. La métrologie des temps de propagation dans la longueur d'onde a été effectuée de manière systématique à la BM05 de l'ESRF avant son arrêt début décembre 2018, à la ligne de faisceaux 1-BM de l'APS à Chicago en 2019 et à la ligne de faisceaux ID06 pendant la période de mise en service de l'ESRF-EBS. Outre la mesure de l'optique des rayons X et la création d'une base de données de métrologie pour les lentilles à rayons X, les objectifs techniques de cette partie expérimentale étaient de former le candidat au doctorat pour qu'il soit capable de réaliser avec compréhension, compétence et autonomie : la mise en place du dispositif expérimental à la ligne de faisceaux, l'acquisition et le traitement des données. Le développement de protocoles de mesure internes en termes d'alignement des sondes et la standardisation des mesures et de l'analyse des données étaient également prévus.À un stade ultérieur, il fallait également étudier les récents développements des techniques de fabrication additive et soustractive pour la fabrication de la correction optique. Concevoir et tester la performance sur un faisceau de rayons X des correcteurs de première phase à l'ESRF était envisagé comme une façon naturelle de conclure la formation doctorale.
Origine : Version validée par le jury (STAR)