LINAC à électrons en bande S pour ThomX

S-band electron LINAC for ThomX

• Auteur / Autrice : Muath Alkadi
• Direction : Marie Jacquet, Christelle Bruni, Mohamed El Khaldi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des accélérateurs
• Date : Soutenance le 28/09/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• 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 physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....) - RI Research Instruments GmbH
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Fabian Zomer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Turki Alkhuraiji, Benito Gimeno Martínez, Ayash Alrashdi, Adel Douahi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Turki Alkhuraiji, Benito Gimeno Martínez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Canons à électrons

Radiofréquences

Faisceaux, Dynamique des

Compton, Effet

Rayons X -- Diffusion

Accélérateurs d'électrons

Accélérateurs linéaires

Mots clés libres

Accélérateur linéaire LINAC

Dynamique des faisceaux

Radiofréquence RF

Rayons X

Photo-injecteur

Diffusion Compton inverse

Electrons

Linear accelerator LINAC

Beam dynamics

Radiofrequency RF

X-ray

Photo-injector

Inverse Compton scattering

Electrons

Résumé

ThomX est une source de rétrodiffusion qui vise à fournir un flux moyen de photons d'environ 10¹²-10¹³ ph/s dans la gamme des rayons X durs (40-90) keV. Ma thèse porte sur l'étude et la conception du linac ThomX et du son upgrade en bande S, à savoir le canon RF et les deux sections accélératrices que sont des structures à ondes progressives. Tout d'abord, la thèse met en évidence la physique de la diffusion Compton inverse avec une description de la cinématique des collisions entre photons et électrons. En outre, elle donne une explication générale du flux de photons Compton et de la luminosité ainsi que les principales applications possibles de la machine ThomX sont discutées. En outre, la thèse explique en détail la source radiofréquence (RF) de haute puissance pour la machine ThomX, à savoir le modulateur qui est du type ScandiNova K2-2 et le Klystron qui est du type Toshiba E 37310, y compris les résultats des tests d'acceptation. Elle comprend également le développement des composants du réseau, tels que le diviseur de puissance, le circulateur de puissance, les déphaseurs et les atténuateurs, ainsi que les tests de faible puissance RF de ces composants. Ma thèse fournit également les caractéristiques électromagnétiques du linac ThomX, à savoir la structure quasi gradient de l'injecteur linac LEP (LIL) et le canon RF, ainsi que la configuration des solénoïdes en utilisant CST Studio Suite. Je présente également les caractéristiques du système de refroidissement du linac ThomX, l'analyse thermique et les tests du système de vide. Le commissioning du linac ThomX est effectuée en deux parties: le conditionnement RF et l'obtention du premier faisceau. La mesure de la charge, à l'aide de l'ICT, et les mesures d'énergie, à l'aide d'aimants orientables ont étaient utilisés pour caractériser le faisceau. En outre, des modèles d'approximation analytiques pour l'énergie et la propagation de l'énergie dans les structures à ondes stationnaires et progressives sont proposés et ajustés aux mesures. En outre, un travail expérimental réalisé sur le photoinjecteur PHIL est présenté pour les mesures de l'énergie du faisceau et de la propagation de l'énergie en utilisant un aimant dipôle dans le but d'acquérir des compétences pratiques avant la mise en service de ThomX. Ma thèse présente également la simulation et l'analyse électromagnétique de la structure à gradient constant (CG) à double alimentation qui sera installée en remplacement de la structure LIL. Ma thèse détaille le processus de fabrication de cette structure, tel que l'usinage, le brasage et l'alignement, qui sont réalisés en collaboration avec la société Research Instruments (RI) en Allemagne. Pour finir, le test de faible puissance et la mise en accord de la structure sont effectués en utilisant la technique du ''bead-pull'' et les résultats sont comparés aux résultats de la simulation et aux spécifications techniques.

ThomX is a back scattering source that aims to provide an average photon flux of about 10¹² -10¹³ ph/s in the hard X-ray range (40-90) keV. The framework of my thesis focuses on the design study of the S-band ThomX linacs, namely the RF gun and the travelling wave accelerating structures. First, the thesis highlights the physics of Inverse Compton Scattering with a description of the kinematics of the photon and electron collisions. In addition, it gives a general explanation of the Compton photon flux and the brightness. The main possible applications of the ThomX machine are briefly discussed. Moreover, the thesis describes in detail the high power radio-frequency (RF) source used for the ThomX machine, namely the ScandiNova modulator K2-2 and the Toshiba Klystron E 37310 including the acceptance test results. As well as, it includes the development of the network components, such as the power divider, power circulator, phase shifters and attenuators performing the RF low power tests of these components. Additionally, the dissertation also provides the electromagnetic characteristics of the ThomX linac, namely the LEP injector linac (LIL) quasi gradient structure and the RF gun, and solenoid configuration using CST Studio Suite. Moreover, it introduces the cooling system characteristics of the ThomX linac, the thermal analysis and the vacuum system tests. The commissioning of the ThomX linac is performed including the RF conditioning and the first beam commissioning. During the beam commissioning, the charge measurement using an integrated current transformer (ICT), and the energy measurements using steerer magnets are described. Furthermore, analytical approximation models for the energy and the energy spread, in standing and travelling wave structures, are proposed and fitted with measurements. In addition, an experimental work carried out at the PHIL photoinjector is introduced for the beam energy and energy spread measurements, using a dipole magnet for a purpose of acquiring practical skills before the ThomX commissioning. The dissertation also demonstrates the electromagnetic simulation and analysis of the dual feed constant gradient (CG) structure, which will be installed as a replacement of the LIL structure. The fabrication process of this structure such as machining, brazing, alignment and backing out, which are performed in collaboration with research instruments (RI) company in Germany, are explained in detail. Finally, the tuning and the low power test are performed using the bead-pull technique, and the results are compared with simulation data and with the technical specifications.