Optimisation d`un faisceau d`électrons de haute brillance

Optimisation d’un faisceau d’électrons de haute
brillance
Par Thomas Audet
Stage réalisé au département accélérateurs du Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire sous la tutelle
de Christelle Bruni et Pierre Lepercq.
Rapport de stage
Master 1 Physique Appliquée et Mécanique
Avril-Juin 2012

Remerciements
Je tiens d’abord à remercier Alessandro Variola, directeur du département accélérateur pour m’avoir
accepté dans son laboratoire.
Je remercie ensuite particulièrement mes tuteurs, Christelle Bruni et Pierre Lepercq pour leur
disponibilité, leurs explications, leurs conseils avisés, leur sympathie ainsi que l’aide qu’il m’ont
apporté pour la rédaction de ce rapport et tout au long de ce stage.
Je remercie Delphine Monnier Ragaigne, responsable de l’expérience de fluorescence pour ses
explications sur les rayons cosmiques ainsi que sur toute l’expérience.
Je remercie également Hugues Monard et Raphaël Roux pour toutes leurs explications sur le contrôle
de PHIL ainsi que sur la dynamique faisceau.
Merci aussi à Emilienne Ngo-Mandag et son stagiaire Songkai Song pour le dépouillement des images
expérimentales ainsi que Julien Brossard pour son aide sur les simulations.
Je tiens finalement à remercier toute l’équipe du département accélérateur pour sa bonne humeur
et son accueil au sein de l’équipe.

I. Introduction ................................................................................................................ 1
II. Contexte du stage ................................................................................................ 2
1. Mesure du rendement de fluorescence de l’azote ................................. 2
a. La sphère intégrante ................................................................................................................. 2
b. Compatibilité de Phil avec l’expérience .............................................................................. 3
2. La ligne de PHIL ......................................................................................................... 3
a. Description générale de la ligne ........................................................................................... 3
b. Le photo-injecteur PHIN .......................................................................................................... 4
c. Les solénoïdes .............................................................................................................................. 4
d. Les diagnostics ............................................................................................................................ 5
e. Positionnement de l’expérience de fluorescence ............................................................. 6
III. Le photo-injecteur PHIN ........................................................................... 7
1. Champ électrique ...................................................................................................... 7
2. Force de charge d’espace ..................................................................................... 8
IV. Effets des solénoïdes ................................................................................... 11
1. Modélisation ....................................................................................................................... 11
2. Comparaison avec les mesures ........................................................................... 18
V. Fenêtre de sortie de l’accélérateur........................................ 21
1. Modélisation ....................................................................................................................... 21
2. Mesures .................................................................................................................................. 23
3. Comparaisons ................................................................................................................... 24
VI. Conclusions................................................................................................................. 26
VII. Annexes ............................................................................................................................ 27

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I. Introduction
L’expérience présentée ici de mesure de rendement de fluorescence de l’azote s’inscrit dans le
cadre de la physique des rayons cosmiques. En effet, il existe des rayons cosmiques, appelés Rayons
Cosmiques d’Ultra-Hautes Energies (RCUHE) dont l’énergie est très grande (de l’ordre de 1018eV),
même plus grande que l’énergie accessible dans les accélérateurs de particules. La mesure précise de
leur énergie pourrait permettre de mieux comprendre les processus de leur génération.
Pour cela on peut, à l’aide d’un télescope, visualiser la lumière émise lors de leur passage. En effet
lorsqu’une particule d’ultra-haute énergie arrive dans l’atmosphère, elle va créer ce que l’on appelle
une gerbe atmosphérique, c’est-à-dire une réaction en cascade de génération de particules
secondaires. Dans cette gerbe atmosphérique, des électrons secondaires sont émis et, en excitant
l’azote de l’atmosphère, lui permettent d’émettre de la lumière par fluorescence, lumière que l’on
veut visualiser. La figure 1 représente le schéma de principe de la mesure de l’énergie des RCUHE.
Fig. 1 : Schéma de principe de mesure de l’énergie des RCUHE par la fluorescence de l’azote.
Les mesures s’appuient sur des simulations pour reproduire les effets atmosphériques. La mesure
de l’énergie du RCUHE est ainsi obtenue avec une précision de 22 %, le rendement de fluorescence
étant l’incertitude la plus grande avec 14%. Le passage de 14 % à 5% sur la précision du rendement
de fluorescence ferait passer la précision sur la mesure de l’énergie des RCUHE à l’observatoire
Pierre Auger de 22% à 17%.
Le point clé pour améliorer cette précision est la maitrise du volume fiduciel ainsi que des
conditions atmosphériques.
On définit le volume fiduciel comme la zone d’espace où toute la lumière de fluorescence a été
émise. Le volume fiduciel dépend de la pression, en effet, en augmentant la pression, on diminue le
libre parcours moyen des électrons. Les électrons vont donc perdre leur énergie, jusqu’à ne plus
pouvoir initier de fluorescence, et ce, dans un volume plus petit puisqu’ils subissent plus de collisions
[2].
Les conditions atmosphériques telles que la pression, la composition de l’atmosphère (humidité,
pourcentage d’azote, d’oxygène…) ainsi que la température sont les paramètres jouant le plus grand
rôle sur la mesure. Comme expliqué précédemment, la pression joue un rôle sur le volume fiduciel
tandis que la composition du gaz joue un rôle sur le rayonnement émis. Car plus il y a d’azote plus il y
aura de lumière de fluorescence mais elle peut éventuellement être atténué par d’autres éléments.
Pour cela, une expérience de mesure de fluorescence par des électrons issus d’un accélérateur est
adaptée, on pourra alors maitriser les conditions de l’expérience et ainsi améliorer la précision de la
mesure.

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II. Contexte du stage
1. Mesure du rendement de fluorescence de l’azote.
a. La sphère intégrante
La figure 2 illustre une des sphères intégrantes qui sera utilisée pour l’expérience. Les électrons
issus de l’accélérateur PHIL arrivent dans la sphère après avoir traversé une fenêtre en aluminium. Ils
excitent ainsi l’azote contenu dans la sphère qui émet un rayonnement de fluorescence.
Ces sphères ont une fenêtre d’entrée et une de sortie pour le passage des électrons, deux
ouvertures d’entrée/sortie du gaz pour contrôler les conditions atmosphérique. Il y a aussi une
ouverture où sera placée une photodiode servant à la calibration et une autre d’où sortiront des
fibres optiques reliées à un photomultiplicateur (PMT) et un spectromètre dont la sortie sera reliée à
un PMT pour sa calibration et une caméra CCD. Le spectromètre et la caméra CCD serviront à
mesurer le nombre de photons de fluorescence pour la mesure du rendement. La sphère garde son
caractère intégrant du fait que la surface de ces ouvertures est faible devant la surface totale (<5%).
Fig. 2 : Schéma de principe de l’expérience.
L’expérience devra se dérouler en plusieurs étapes. Il faut, en premier lieu, calibrer les PMT car la
précision sur leur efficacité donnée par le constructeur est de 15 à 20%, ce qui ne permettrait pas
une mesure précise du rendement de fluorescence. La calibration des PMT se fait avec les
photodiodes NIST dont l’efficacité est connue avec une précision de 1,5%. On utilise d’abord une LED
et deux NIST, la deuxième NIST ayant le même facteur de réduction que le PMT. Puis on remplace
cette deuxième NIST par le PMT et on calibre le PMT par rapport au NIST avec le facteur de réduction
calculé auparavant. Le PMT calibré est ensuite utilisé pour calibrer le spectromètre et la caméra CCD
à l’aide de la LED, donc avec la même efficacité.
On peut ensuite valider la méthode à des conditions standards de pression et de température
avant de commencer les mesures.