Ondulateur staggered comme source de rayonnement synchrotron sur anneau de stockage à faible émittance

Staggered undulator X-ray source for low emittance electron storage ring

• Auteur / Autrice : Ilia Asparuhov
• Direction : Gaël Le Bec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique appliquée
• Date : Soutenance le 15/06/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : European synchrotron radiation facility (Grenoble, Isère, France ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marie de Conto
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Schmidt, Patrick Puzo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Emmanuelle Couprie, Shaukat Khan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Solénoïdes

Rayonnement synchrotron

Mots clés libres

Rayonnement synchrotron à haute énergie

Ondulateur courte période

Anneau de stockage à faible émittance

Source Extrêmement Brillante (EBS)

Solénoïde

Ondulateur staggered

Ondulateur multi-période

Ondulateur à faible gap

Séquence de pôles ferromagnétiques

Séquence de pôles ferromagnétiques

Augmentation de l’émission de rayonnement monochromatique

Charge thermique réduite

Accordage continu accru en première harmonique

Solénoïde supraconducteur

Anneau de stockage à faible émittance

Solenoid

Short period undulator

High energy synchrotron radiation

Extremely Brilliant Source (EBS)

Low emmitance storage ring

Staggered undulator

Multi-period undulator

Small gap undulator

Ferromagnetic pole array

Discrete period switching

Increased monochromatic radiation emission

Reduced heat load

Increased continuous first-harmonic tunability

Superconducting solenoid

Low-emittance storage ring

Résumé

Un ondulateur staggered multi-périodes est proposé comme source de rayonnement synchrotron pour les anneaux de stockage à faible émittance. La source est composée de pôles ferromagnétiques doux insérés dans un solénoïde et peut être utilisé pour la réalisation d’ondulateurs à courte période, monochromatiques et à énergie élevée. L’ondulateur staggered de base est de type électromagnétique, ce qui signifie que le champ crête et donc l’énergie harmonique d’émission sont accordés à travers le champ solénoïdal, l’ondulateur fonctionnant à un gap fixe constant de 4 mm. L’absence d’aimants permanents dans l’ondulateur staggered de base à pôles ferromagnétiques doux est bénéfique pour la durabilité du dispositif face à l’impact de rayonnement. Cela incite à envisager d’utiliser des gaps magnétiques plus petits que ceux normalement considérés raisonnables pour les ondulateurs conventionnels. Ceci permet d’augmenter le champ d’ondulateur staggered puisque les valeurs de champ crête typiques pouvant être atteintes par ce dernier sont plus faibles, par exemple, que celles des dispositifs à aimants permanents à paramètres équivalents. Les niveaux de champ crête inférieurs dans un ondulateur staggered impliquent un faible paramètre de déflection K qui détermine la nature monochromatique dominante du spectre d’émission de l’ondulateur accompagnée d’une accordabilité limitée de l’énergie de rayonnement. La solution proposée à ce problème dans le cadre de ce travail de thèse est d’ajouter la période de l’ondulateur comme second paramètre de réglage du champ crête et de l’énergie à celui du champ solénoïdal déjà disponible dans un ondulateur à arrangement de pôles individuel. Ainsi, un assemblage est spécifié de plusieurs ondulateurs installés de façon avoisinante et translatés les uns par rapport aux autres dans le même solénoïde. De cette façon, on varie la période par des pas discrets dans la direction horizontale et on peut accorder le dispositif à une période spécifique en translatant l’ensemble de l’assemblage dans le solénoïde de manière à avoir la période particulière sur l’axe de ce dernier. Les deux paramètres d’accordage de l’énergie du champ crête et de la période sont utilisés conjointement à cette fin et les arrangements staggered individuels sont optimisés afin d’assurer l’accordabilité continue de l’énergie de première harmonique lors du changement de période. L’ensemble ondulateur fonctionne principalement sur l’énergie du premier harmonique qui peut être accordée de 12 à 43 keV lors de l’exploration de toute la gamme de variation de la période et du champ crête à travers neuf arrangement ondulateur staggered. Un intervalle de courte période de 8 à 16 mm est considéré pour les arrangements individuels. Des variantes constituées d’un nombre réduit d’ondulateurs, éventuellement à entrefer non homogène, sont décrites. Un solénoïde supraconducteur en NbTi, refroidi à l’hélium, est spécifié pour l’aimantation des ondulateurs de pôles doux et l’accordage de leurs champs crête. Des moyens correctifs pour améliorer le fonctionnement du solénoïde et de l’assemblage ondulateur, tels que des bobines de correction et un blindage magnétique, sont proposés et discutés. L’installation requise du solénoïde dans l’anneau de stockage EBS à faible émittance est jugée réalisable avec des moyens de correction en interne en termes de stabilité du faisceau d’électrons sous des champs solénoïdaux d’intérêt pour le fonctionnement de l’ondulateur et au-delà. La brillance maximale prévues pour l’ondulateur staggered multi-périodes dans la plage d’énergie de la première harmonique spécifiée peut surpasser jusqu’à 34 % celle des ondulateur actuels.

A multi-period staggered-array undulator is proposed as a synchrotron radiation device for low-emittance storage rings. The individual staggered array is composed of soft ferromagnetic poles inserted into a solenoid can be used as a simple design solution towards the realization of short period undulators radiating at a high first harmonic energy. The basic staggered undulator is of the electromagnetic kind meaning that the peak field and hence harmonic energy of emission are tuned through the solenoid field, the undulator operating at a fixed constant gap. The ferromagnetic array relies on the solenoid field for its magnetization and the subsequent establishing of a periodic undulator field on-axis via the array geometry. The absence of permanent magnets in the basic pure soft ferromagnetic staggered undulator is beneficial for the radiation impact durability of the device. This tempts the designer to consider using smaller magnetic gaps than those normally considered reasonable for conventional devices. This can be of interest for augmenting the staggered undulator field since typical peak field values attainable by the latter are weaker for example than those in permanent magnet devices at equivalent device parameters. The lower peak field levels in a staggered array undulator imply a lower deflection parameter K that determines the dominating monochromatic nature of the undulator emission spectrum accompanied by a limited tunability in radiation energy. The proposed remedy to this issue in the framework of this PhD work is to add the undulator period as a second peak-field and energy tuning parameter to that of the solenoid field already available in an individual-array staggered device. Thus, an assembly of multiple arrays installed transversally in the same solenoid is specified. In this way one instigates a variation of period by discrete steps in the horizontal direction and can tune the device to a specific period by translating the whole assembly in the solenoid so as to have the particular-period array on the axis of the latter. The two energy tuning parameters of peak field and period are used in conjunction for this purpose and the individual staggered arrays are optimized for magnetic performance on-axis with a sequencing of period values from one array to the neighboring one in order to assure the continuous tunability in first harmonic energy during the period variation (period switching through translation of the whole assembly). The constituted undulator assembly operates predominantly on the first harmonic energy that can be tuned from 12 to 43 keV when exploring the whole variation range of period and peak field throughout nine staggered arrays. A short-period interval from 8 to 16 mm is considered for the individual arrays. Subvariants for a smaller two-array bi-period device and a longitudinally variable-gap array are outlined in terms of their potential interest in relation to the variable-period staggered assembly. A superconducting solenoid of NbTi LHe-cooled superconductor able to operate in the required field range is specified for the magnetization of the soft pole arrays and the tuning of their undulator peak fields. Additional corrective means for improved solenoid and undulator operation such as trim coils and shielding are proposed and discussed. The required installation of the solenoid in the low-emittance EBS storage ring is deemed achievable with in-house means in terms of electron beam stability under solenoid fields of interest to undulator operation and beyond. The peak brilliance performance predicted for the multi-array staggered device in the specified first-harmonic energy range can outmatch that of state-of-the-art workhorses such as the current ESRF CPMU by up to 34 %.