J.-F. Devaux, V. Jacob, A. Chaleil, S. Joly Point sur l’évolution de l’accélérateur d’électrons ELSA du CEA vers 40 MeV pour une source X Compton 10 à 100 keV   V. Le Flanchec, P. Balleyguier, A. Bayle, A. Binet, J.-P. Nègre, M. Millerioux, J.-F. Devaux, V. Jacob, A. Chaleil, S. Joly Journées Accélérateurs de la SFP - Roscoff CEA – DAM – DIF 16 Octobre 2013 12 avril 2017 CEA | 10 AVRIL 2012

I - Introduction ELSA 19 MeV Point de départ : Thèse financée par contrat CIFRE THALES en 2008 (A.-S. Chauchat) Pour applications médicales.  Pour applications sociétales (art, culture) Objectif : démonstration de principe Résultat : Premiers photons X émis à 10 keV Besoin DAM identifié pour métrologie X (notamment temporelle) sur le Laser Mégajoule Caractérisation de caméra à balayage de fente. Caractérisation de caméra à imagerie intégrale. Spectrométrie résolue en temps. Intérêt de ce type de source : De 10 à 100 keV : domaine X très durs Continûment accordable Impulsionnelle mono-coup (modes macropulse et récurrent possibles) Accès direct

II - Rappel des résultats 2010 Sommaire I - Introduction II - Rappel des résultats 2010 III – Description de l’évolution « ELSA 40MeV » pour la source Compton IV - Etat d’avancement : IV.1 - du système d’empilement de photons IV.2 - des études d’émittance IV.3 - de la conception de la nouvelle ligne électrons IV.4 - des cavités accélératrices IV.5 - de l’implantation du klystron V - Bilan et perspective CEA | 10 AVRIL 2012 12 avril 2017

Visualisation du cône de rayonnement à l’aide d’ERLMs II - Rappel des résultats 2010 Résultats de la thèse d’A.-S. Chauchat Visualisation du cône de rayonnement à l’aide d’ERLMs Conditions expérimentales Energie électrons 17 MeV Longueur d'onde photons 532 nm Durée 12,7 ps rms Nb d'impulsions par macro-impulsion 100 Récurrence des impulsions 72 MHz Charge par impulsion 0,24 nC Energie des impulsions laser 0,7 mJ Demi-angle de cône de rayonnement 10 mrad 24 mrad Nb de photons par macro-impulsion 1,2 104 3 104 Nb de photons par impulsion 120 300 4

III – Description de l’évolution « ELSA 40MeV » pour la source Compton Objectif : dépasser 1018 ph/s/cm² à 1 m de la source (mono-impulsion) en régime mono-impulsion de 15 ps LTMH Passer ELSA de 17 à 40 MeV permet un gain important en nombre de photons à 27 keV : 4 fois plus de photons à 1064 nm. Charge jusqu’à 4 nC en utilisant impulsions longues + compression. Meilleure émittance, donc point de focalisation plus petit Faisceau plus pincé donc densité de photons plus élevée. Energie des photons X produits et flux attendu calculé pour différentes configurations electrons/photons Configuration Photons / e- E des photons X produits (keV) Flux attendu ph/s/cm² 1064 nm / 24 MeV 10 3,3 1017 1064 nm / 34 MeV 20 1,3 1018 1064 nm / 37 MeV 23 2 1018 532 nm / 37 MeV 46 5 1017 266 nm / 37 MeV 92 2,5 1016 Principe de l’évolution basée sur : un post-accélérateur un linéariseur du champ électrique accélérateur  optimisation de la compression d’impulsions un système d’empilement/recyclage de photon applicable en mono-coup.

Schéma de l’implantation du linéariseur et du post-accélérateur sur ELSA dt dE Df Imparfait à cause de la courbure locale Linéarisation du champ par ajout d’une cavité décélératrice 1,3 GHz

Voir informations détaillées sur le poster de P. Balleyguier Système d’alimentation du post-accélérateur et du linéariseur par un klystron unique Voir informations détaillées sur le poster de P. Balleyguier 12 avril 2017

IV - Etat d’avancement… IV.1 - du système d’empilement de photons IV.2 - des études d’émittance IV.3 - de la conception de la nouvelle ligne électrons IV.4 - des cavités accélératrices IV.5 - de l’implantation du klystron CEA | 10 AVRIL 2012 12 avril 2017

IV-1 … du système d’empilement des photons Augmentation du nombre de photons laser pour l’interaction : Système Multi-passage pour Interaction Laser-Electrons (SMILE) Trajectoires concourantes Miroirs orientables trou Trajectoire des électrons Laser P M1 M2 M3 M4 M6 M10 M12 M14 M5 M7 M9 M11 M13 Plateau 1 Plateau 2 M8 Principe : système de miroirs hors axe, permettant de faire concourir les trajectoires en un point unique. Train d’impulsions réparties dans le temps à une cadence fixe. Arrivée de plusieurs impulsions au même point et au même moment : émission de N impulsions laser pour 1 seule impulsion électron. Gain de l’ordre de N (dépend de la qualité de la réflexion sur chaque miroir). Etude détaillée en cours : Aspects interférentiels dans la zone d’interaction. Etude des effets de la polarisation du laser. Présence d’un waist à chaque passage en P. Alignement, sensibilité. ….

Idée applicable en « mode récurrent » en plaçant le SMILE en cavité Vue de profil du SMILE : Point d’interaction 30 mrad 10 mrad 12 mrad Faisceau d’électrons Faisceau laser Faisceau d’X Distance dépendant de la fréquence de répétition des impulsions laser Plateau 2 Rayon de courbure des miroirs : Demi-distance inter-plateaux Plateau 1 Idée applicable en « mode récurrent » en plaçant le SMILE en cavité

Etude préliminaire d’implantation sur ELSA : 250 500 Point d’interaction Triplet de quadrupôles Tube à vide 40 30 15 Choix de la fréquence (arbitraire pour un fonctionnement mono-coup) : 144 MHz – lié à la longueur du système Distance inter-plateaux ~ 1 m Diamètre des miroirs : 6 mm Diamètre du plateau ~ 30 mm  Le SMILE est très fin : il rentre sans problème à l’intérieur des tubes à vide de l’accélérateur ! 12 avril 2017

IV-2 … des études d’émittance Situation idéale : électrons photons En réalité : Rayon rms r ~ 50 à 100 µm électrons photons divergence rms q ~ 10 mrad Il faut se rapprocher le plus possible de la situation idéale  émittance la plus petite possible Rayon visé : 50 µm rms Divergence visée : 10 mrad rms Émittance géométrique max = 0,5 µm rms Émittance normalisée max @34 MeV (g = 67) = 33 µm rms Émittance normalisée max @24 MeV (g = 48) = 24 µm rms Notre objectif : maintenir l’émittance normalisée à moins de 20 µm rms.

Campagne de mesure principale 03/12 + Campagne de confirmation 09/12 Courant crête 44 A 67 A 104 A Charge 0,8nC 2,3 nC 3,3 nC 5 nC 7,8 nC Durée laser LTMH 18 ps 53 ps 75 ps Energie cinétique des électrons 18 MeV Champ 144 MHz 2,3 MV Champ 433 MHz 15,7 MV Durée après compresseur 34 ps 61 ps 88 ps 180 ps Emittance en O1 Em. X rms Em. Y rms 03/12 09/12 13 µm 16 µm 4 µm 21 µm 15 µm 5 µm 10 µm 6,5 µm 7,6 µm 9 µm 5,5 µm 18 µm Montée en charge de 0,8 à 3,3 nC : sans problème. Extraction jusqu’à 7,8 nC (durée 75 ps). OK (objectif 4 nC). Valeur de l’émittance dans le cas 3,3 nC 75 ps : 6,5 µm, 7,6 µm rms. OK Tests à très forte charge (au-delà de l’objectif de 4 nC) : 7,8 nC : émittance 5,5 µm, 18 µm. « OK » Bon comportement à confirmer lorsque la compression d’impulsion sera optimale, c’est-à-dire après l’installation du linéariseur. En effet : la charge d’espace sera plus élevée à cause de la compression temporelle.

IV-3 … de la conception de la nouvelle ligne électrons Vue de côté Coupe de Faraday F 80 Blindage Electrons Sol Dipôle vertical Bobine Ecran RTO CCD Dipôle horizontal CCD spectro 1   Dipôle vertical CCD spectro 2 Vue de dessus Coupe Faraday Électrons après l’interaction électrons X Zone utilisateurs laser Quart de tour vers la ligne Bremsstrahlung amovible. Insertion d’un déviateur magnétique pour sortir le faisceau d’électrons de la ligne X Compton. Stoppeur placé au sol (électrons envoyés verticalement dans Beam Dump). Utilisation d’un dipôle disponible sur ELSA. Utilisation de quadrupôles disponibles sur ELSA. Dipôle vertical étudié spécifiquement.

 maintenir l’émittance < 13 µm rms Etude de la ligne dans le logiciel BeamLeader  Plan de la ligne v.1 Taille en C0 : rx = 43 µm rms ry = 54 µm rms  maintenir l’émittance < 13 µm rms

Réalisation du seul nouvel élément de ligne en cours (SEF) : Dipôle de déviation verticale. 12 avril 2017

Post accélérateur : 10 cellules IV-4 …des cavités accélératrices Cellules calculées sur MAFIA puis vérifiées sur MicroWave Studio. Réalisation par la société SDMS. Livraison attendue oct 2013. Cavité du linéariseur (une seule cellule) Post accélérateur : 10 cellules

Photos des cellules individuelles (06/13) 12 avril 2017

Caractérisation des cellules (07/13) La cellule 5 mesurée en premier : Fréquence : 1302,77 MHz (simulation : 1303,37 MHz). Fréquence visée après reprise : 1293,69 MHz. reprise de 0,87 mm (au rayon). Excellent accord simulations/mesures 12 avril 2017

Cavités assemblées 12 avril 2017

Construction du bâtiment d’accueil du klystron et des nouvelles électroniques pour ELSA 40 – juillet 2012

Implantation dans le bâtiment : été 2013.

V - Bilan et perspectives Etudes sur le SMILE : en cours. Etude détaillée et réalisation d’ici fin 2014. Etudes sur l’émittance : OK. Devra être confirmé par des mesures avec linéariseur en place. Etude préliminaire ligne électrons terminée. Extension au bâtiment technique d’ELSA terminé. Transfert klystron : câblage en cours. Test fin 2013. Réception des cavités accélératrices oct 2013. En 2014 : Mise en fonction et test post-accélérateur et linéariseur. Déploiement guides d’onde. Etude et déploiement de la ligne de transport laser. Conception et réalisation de la chambre d’interaction Compton (SMILE y compris) + Déploiement diags pour la source X. Premiers photons Compton attendus début 2015

Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives Centre DAM Ile-de-France | 91297 Arpajon Cedex T. +33 (0)1 69 26 40 00 Etablissement public à caractère industriel et commercial | RCS Paris B 775 685 019 DIF CEA | 10 AVRIL 2012 12 avril 2017