Programme Investissements d’avenir de l’Etat ANR-10-EQPX-51. Financé également par la Région Ile-de-France. Program « Investing in the future » ANR-10-EQOX-51.

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1 Programme Investissements d’avenir de l’Etat ANR-10-EQPX-51. Financé également par la Région Ile-de-France. Program « Investing in the future » ANR-10-EQOX-51. Work also supported by grants from Région Ile-de-France. ThomX : démonstrateur d’une source Compton compacte de rayons X Hugues MONARD, Chef de projet CNRS/In2p3/LAL Roscoff 2015

2 Plan THOMX est le démonstrateur d’une source de RX basée sur l’interaction Compton inverse  1) Pourquoi ThomX ?  2) Effet rétrodiffusion Compton  3) Architecture de la source  4) Status du projet  5) conclusion 2

3 Roscoff 2015 1) Motivations pour ThomX  Démonstrateur Source de RX à haut flux, « compacte » abordable pour un laboratoire ou un musée  utilisations : analyse patrimoine, médical, cristallographie 3 10 24 10 22 10 16 10 18 10 14 10 12 10 10 8 10 6 10 20 Ph/s/0.1%bw/mm²/mr² 1eV Photon energy 10eV100eV1keV 10keV 100keV  Flux inférieur à celui d’un Synchrotron mais reste compétitif  Taille machine plus petite  Coût « abordable »  Faisceau RX plus large :  Échantillon analysé sans scan

4 Roscoff 2015 2) Rétrodiffusion Compton  Interaction électron-photon 4 E X ~ 2 γ ² E ph [ 1 - cos(θ ph ) ] 1 + ( γ θ) 2 E e = 50 MeV  = 100 E X (KeV) E ph = 1 eV  ph = faible Pour obtenir un haut flux :  il faut maximiser Ne et Nph : forte charge/pulse + forte énergie laser moyenne  il faut aussi focaliser et aligner les deux faisceaux Eph : énergie photon initial Ex : énergie photon diffusé θ (rad) Faisceau e - (MeV, GeV) e-e- E ph θ EXEX θ ph laser Géométrie de la source de RX Ex = 45 keV Section efficace est faible ~ 6.6 10 -25 cm 2 Flux ~ 2π ( σ e + σ γ ) σ compt N e N ph ƒ rep 10 mrad 10 m 10 cm 10 mrad

5 Roscoff 2015 5 taille ~10mx7m Laser + Résonateur optique Electron – laser interaction rayons X 50 MeV électrons LINAC bande S (3GHz) Ligne Transfert Anneau Kickers 3) ThomX accélérateur upgrade à 70 MeV possible Dump Diag1 Diag3 Diag4 Dump Diag2 Utilisateurs Ligne extraction injection Septum Ligne X extraction

6 Roscoff 2015 3.1 Linac 6  Basé sur photoinjecteur canon RF 3 GHz (5MeV) + section accélératrice (50 MeV)  alimentés par klystron Ez = 80 MV/m (P = 6 MW) pour E = 5 MeV F = 2998.5 MHz Canon RF 2.5 cellules photocathode

7 Roscoff 2015 3.1 Linac 7 Section type LIL : 50 MeV PMB – ALCEN : 70 MeV S-Band 2998,55 MHz Progressive wave 2  /3 Emax > 25 MV/m Section accélératrice Canon RF 30/05/2016 Impacte sur énergie RX 50 MeV   ~ 48 keV 70 MeV   ~ 93 keV Impacte sur utilisateurs possibles Section ACC. Type LIL

8 Roscoff 2015 3.2 Anneau 8 8 Dipôles 24 quadrupôles 12 sextuôles 2 kickers 1 septum 1 cavité RF 12 BPM + 12 correcteurs 1 septum Cavité RF L ~ 18 m t = 60 ns F = 16,7 MHz

9 Roscoff 2015 9 dégradation qualité du faisceau  Réduction du flux des RX Dispersion énergie x1.5 Durée paquet x2 Emittance x4 3.2 Anneau Espace phase longueur/énergie

10 Roscoff 2015 10 3.3 Laser interaction + Cavité FP Interaction point beam size e- ~ 50µm laser ~ 70 µm Oscillateur: ~ 10mW, 33.3MHz Amplificateur Fibre CPA: ~100W, ~10ps pulse duration Cavité optique Fabry-Perot Gain ~10000 Puissance au PI: > 100kW Longueur cavité: ~9m  efforts sur stabilité mecanique

11 Roscoff 2015 3.3 Détails point d’interaction 11 Laser IR =1030 nm h  = 1,2 eV Électrons 50 MeV RX Eo ~45 keV Point d’interaction  L ~ 70 µm  e ~ 50 µm

12 Roscoff 2015 3.4 Paramètres Principaux 12

13 Roscoff 2015 4) Status Projet  Finances obtenues en 2010 : programme Equipex de l’ANR : 12 M€  Complément avec SESAME (Région) 0.5 M€ + UPS (0.2 M€)  CPER pour réhabilitation bâtiment obtenu en 2015 (2,5 M€)  8 Partenaires dans le projet : 13 Nomcontribution Thales TED (Vélizy)Industrialisation Synchrotron SOLEIL (Gif)anneau, aimants, RF anneau, … Institut NEEL (Grenoble)ligne X (design, installation) ESRF (Grenoble)Ligne X (design, utilisation médicale) LAMS (Paris)Ligne X utilisation (analyse patrimoine) GIN(Grenoble Institut Neuroscience)Ligne X (utilisation médicale) CELIA (Talence)Laser interaction LAL (Orsay)Management, linac, intégration, bâtiment, …

14 Roscoff 2015 4.1 ThomX implantation 14 Université Paris-Sud Laboratoire Accélérateur Linéaire Site ThomX IGLOO  = 40 m RER Orsay Orsay Paris

15 Roscoff 2015 15 4.1 ThomX implantation  création IGLEX : 2 Equipex  Andromède (IPN)  ThomX (LAL)  CPER : budget infrastructure (Contrat Plan Etat Région) Début travaux : fin 2015 Fin travaux : fin 2016

16 Roscoff 2015 4.2 Planning 16 30/05/2016 2015 2016 2017 2018 Installation dans bâtiment Commissioning Contrôle-Commande Réhabilitation Bâtiment jan april july oct RX pour 1 er utilisateurs montages : linac, poutres LT, poutres anneau, ligne X, cavité & laser interaction jan april july oct Tests & Montages avant intégration Aujourd’hui Achats/Marchés 90%

17 Roscoff 2015 5. Conclusions : particularités de ThomX  Source RX basée sur rétrodiffusion Compton  Flux visé 10 12 ph/s  Géométrie de la source de RX : cône - distribution énergie Lorentzienne : 45 keV@50 MeV - Énergie RX modifiable suivant énergie électrons - Taille maximale de la source dans la cabane X ~ 10 cm - Possibilité monochromateur, transfocateur sur ligne X  Défis technologiques : - laser de forte puissance moyenne : 100 W - Finesse cavité Fabry-Pérot : 30000 avec laser ps gain = 10000, problème stabilité - Alignement au point d’interaction < 50 µm 17 Géométrie de la source de RX

18 Roscoff 2015 18 Merci à tous les partenaires et les collaborateurs de ce projet innovant et motivant ! Environs 90 Ingénieurs, chercheurs, techniciens + administration

19 Roscoff 2015 Planches supplémentaires 19

20 Roscoff 2015 Ligne transport RX 20 anneau linac

21 Roscoff 2015 Projets source Compton RX dans le monde 21 30/05/2016 21 To be updated

22 Roscoff 2015 22 ThomX civil engineering IGLOO Rehabilitation lots : Overheads max ~ 10%  +170 k€ Planning : 20/03 publication annonce 20/05 date limite réponse 08/06 premier rapport choix et négociations 22/06 fin négociations 30/06 choix final début recours 15/07 fin recours notification

23 Roscoff 2015 Acquisition status 23

24 Roscoff 2015 Remarques sur la source de RX 24 E X ~ E e E ph  E X modulée en fonction de l’énergie des électrons 2 Marie Jacquet, LAL, Orsay12 Characteristics / specifications of a high flux CCS La polarisation du faisceau RX dépend de celle du laser. Flux ~ 2π ( σ e + σ γ ) σ compt N e N γ ƒ rep 22 Haut flux  bcq photons bcq electrons petites taille faisceau grande ƒ rep (= nb ph/sec) flux ~ 10 12 - 10 14 ph / sec la polarisation peut être contrôlée faisceau haute qualité - coherence Transverse - Haute brillance énergie RX ajustable haut flux ECAART11, September 8-13, 2013 - Namur, Belgium

25 Roscoff 2015 25 X hutch Linac RF source Igloo Bunker R = 18 m 10 m

26 Roscoff 2015 Dégradation émittance 26 Flux /2 after 50 ms

27 Roscoff 2015 Effet CBS+IBS 27 CBS : Compton Beam Scattering IBS : Intra Beam Scattering