Maquettage photo

Projet d’Accélérateur Linéaire
Radiofréquence pour une source
de rayonnement X
J-L Lemaire
CEA-DIF/DPTA et le groupe d’étude RX2RF
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Sommaire
 La radiographie X
 Objectifs
 Caractéristiques du projet DEINOS
 Le photo-injecteur (générateur HT, laser, photo-cathodes)
 L’accélérateur linéaire (RF optimisé SC) « filière radiofréquence »
 La focalisation terminale (optimisation de la dispersion d’énergie)
 Maquettage du photo-injecteur
 Conclusions
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Radiographie Eclair
Image
expérimentale
Produire des rayons X intenses et pénétrants . . . . . . . .
Conversion é 
Dose = f (I,V)
Focaliser finement les électrons sur la cible . . . . . . . . . . . Tache focale  submillimétrique
Délivrer le faisceau pendant un temps de pose très court . . Durée d’impulsion 60 ns
Disposer de détecteurs haute résolution
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Objectifs
 Conception d’un outil compact, sans R et D, capable de produire
-un faisceau d’électrons stable,
-aux caractéristiques reproductibles
 Analyse des possibilités pour différents profils d’emploi
(fonctionnements multi-axe, multi-temps)
Validation des choix technologiques retenus, en suivant une
démarche de démonstration par partie
 Validation des codes de calculs utilisés pour la dynamique faisceau
Caractérisation des faisceaux obtenus
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Axe principal : accélérateur à induction
(AIRIX)
RX2 (second axe / étude de différentes solutions : filières)
Filière Induction non retenue
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Filière Diode
Rod - pinch
Résultats expérimentaux
2 - 4 – 6 MV, 50 - 100 kA
Tache focale < 2mm
7 MV sur la diode, avec
50 étages, L=10 m
4axes, 4 temps, 4 Diodes
Filière GD expérimentale en construction
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Filière laser
Couplage d’une fraction de l’énergie laser à la cible sous forme d’énergie cinétique électronique
Propagation des électrons de quelques MeV dans le matériau
Production de rayonnement de Bremsstrahlung
Dose utile prédite 0.1 Rad @ 1m pour 10 J « utiles » à une puissance d’éclairement  5 10 19 W/cm2
1
Dimension tache focale ~ 100 µm
Durée de l’impulsion laser 350 fs, durée impulsion X ~ 100 ps
90J – 10 20 W/ cm2 dose 2.3 Rad @ 1m, 1021 W/cm2 100 Rad @ 1m !!!
Filière Laser prometteuse (présentation E. Lefebvre)
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Filière RX2RF: projet DEINOS
Laser
Cavités accélératrices
Cible de conversion X
Diode et PK
Géné HT
Photo-injecteur
Linac RF Supra Conducteur
Focalisation terminale
DEmonstrateur d’INjecteur Optimisé pour un accélérateur Supraconducteur
Durée d’une impulsion 55 ns , constituée de 20 micro-impulsions successives (paquets à 352 MHz)
Chaque paquet porte une charge de 100 nC
Energie de sortie du photo-injecteur: 2,5 MeV
Energie du faisceau d’électrons délivré sur la cible: 51 MeV (mode de fonctionnement nominal).
Diamètre du faisceau au point focal : millimétrique
Dimension du faisceau au niveau de la cathode
Enveloppe du faisceau dans l’accélérateur
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Dimension du faisceau sur la cible
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Filière RX2RF: technologie pour l’injecteur
(générateur Haute Tension)
Injecteur « PIVAIR »
Prime Power + Blumlein , terminée par un espace diode
~ 13 m de longueur maximum, ~1,1 m de diamètre
Energie faisceau : 2,5 MeV
« Machine à faible coût » technologie maîtrisée
-récupération de pièces rechanges,,
-jouvence nécessaire et adaptation au nouveau besoin en
réduisant la longueur de ligne, étude du transfert PK
Injecteur PIVAIR au CESTA
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Filière RX2RF: technologie pour le laser
Structure temporelle :
200 à 1000 ns
ajustable
Cadence : 352,209 MHz
Cadence : 352,209 MHz
90 ps @266 nm
LTMH
20 impulsions
Besoin en énergie :
20 impulsions
Rendement pK : 10% au début
3% au bout de 50h d’utilisation à 1 Hz
2% après plusieurs semaines d’utilisation
100 nC  25 µJ
Longueur d’onde :
Profil :
2 µC  0,5 mJ
266 nm
Homogène à l’intérieur d’un cercle
Fort besoin en
énergie à 1064 nm
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Schéma “bloc-diagramme”du laser
Chaîne ampli ELSA
Oscillateur SESAM
352,2 MHz, 180 ps
Nd :YVO4 1064 nm
500 mW
Sélecteur
d’impulsion
Contraste >100:1
 Formation
macropulse
2 trains (« macroimpulsions ») de 20
micro-impulsions
Horloge
générale
Redresseur
macro-impulsion :
Compensation du
gradient de gain
des amplis
PhotoDétecteur
+ contrôle
REDRESSEUR
SOURCE
1,5 nJ / microimpulsion
30 nJ / macro
Chaîne
amplificatrice
Nd :YAG
Capacité :
Tout au long de la
chaîne : gestion du
profil transverse du
faisceau :
80
mJ/macropulse
profil quelconque
Filtrage spatial +
utilisation de
convertisseurs de
profil gaussien –
homogène
Doublage (KTP)
+ Quadruplage
(BBO)
AMPLIFICATION
0,5 mJ / macroimpulsion, profil
homogène
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Filière RX2RF: technologie photo-cathodes
Plan de l’enceinte d’évaporation
Dépôts Cs Te par co-évaporation
Photo-cathode en place
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Filière RX2RF: technologie pour l’accélérateur
Cellule accélératrice
résonant à 352 MHz,
cryomodule « LEP »
Accélérateur linéaire RF constitué de 4 cavités comportant
chacune 4 cellules résonantes à 352 MHz,
~ 12 m de long, 1,7 m de diamètre
Energie faisceau : 51MeV pour E = 7.5 MV/ m
1 cavité = 4 cellules à 352 MHz,
« Machine compacte » technologie mature
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Dynamique du faisceau d’électrons (1)
2,5 m
Photo-injecteur
12,5 m
Cryomodule
Cavités
0,9 m
Solénoïde
Cible
Charge d’un paquet : 100 nC
Nombre de paquets : 20
Fréquence des paquets : 352,2 MHz
Energie finale : 51 MeV
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Dynamique du faisceau d’électrons (2)
Codes utilisés: MAGIC, PARMELA, TraceWIN/PARTRAN
Distribution initiale : 2,5 MeV, Water-bag
Dimension du faisceau d’électrons sur la cible : 1,2 mm
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Dynamique du faisceau (3): beam loading
Chaque cavité communique :
- 12,1 MeV aux particules
- 450 MW au faisceau sur 55 ns, soit 24 J.
Il est impensable de fournir aux cavités une telle puissance !
Les cavités sont donc initialement remplies : 159 J
La tension accélératrice initiale des cavités est alors : 12,7 MV
Les paquets pompent cette énergie les uns après les autres
la tension accélératrice finale est : 16,2 MV
- le gain en énergie par cavité passe de 12,1 MeV
à 11,1MeV du premier au dernier paquet.
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Focalisation terminale: influence du beam loading
Le dernier paquet arrive avec une énergie de 49,2 MeV au lieu de
53,1 MeV pour le premier paquet.
Dernier paquet
Premier paquet
Cible
Effet chromatique dans le solénoïde
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Maquettage photo-injecteur - action 2006:
Prime power
Laser
diode
Diode et PK
laser
Géné HT
Faisceau
é
Mesure faisceau
Photo-inecteur
haute tension pulsée + laser + PK
Maquettage photo-injecteur (démonstration du principe de fonctionnement)
Prime Power + « Blumlein » , terminé par un espace diode, laser, espace de métrologie faisceau
Energie faisceau :  1,5 MeV
« Maquettage très faible coût »
-fabrication d’un tube accélérateur,
-test insertion des photocathodes,
-tests photo-émission (mesure courant, énergie, durée impulsion)
-tests de courant d’obscurité
-tests de stabilité et de reproductibilité
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Conclusions (1)
Design d’une machine pour produire un faisceau d’électrons de
51 MeV, 2 µC, 55 ns de dimension millimétrique,
 La forte charge faisceau impose un mode de fonctionnement
particulier qui consiste à pré-charger les cavités en énergie et les
laisser se vider avec le passage du faisceau
L’architecture de la filière proposée permet un fonctionnement
multi-temps, multi-axe,
Une phase de maquettage de la partie géné HT et photo injecteur
à énergie réduite débute en 2006
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Conclusions (2)
L’obtention d’une tache électronique minimale au point focal
nécessite trois actions à moyen terme:
- optimisation de la focalisation terminale achromatique,
- réduction de la dispersion en énergie des paquets grâce
au réglage de la phase synchrone alternativement positive et
négative,
-réduction de la dispersion en énergie de l’impulsion, par
désaccord des cavités
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