Conception

1.1.1 L’onduleur HU640 / OPHELIE2

OPHELIE2 est un dispositif d'insertion électromagnétique qui a été développé et

construit pour la ligne DESIRS à SOLEIL. C'est un onduleur plan/hélicoïdal de 10 m de long, conçu pour produire tout type de polarisations dans la gamme 5-40 eV. Il est composé de trois jeux de bobines sans fer (cf Figure 28) : Un jeu de bobines (vertes) est dédié à la génération du composant de champ horizontal (B_x). Tandis que les deux autres jeux de bobines (rouges et bleues), décalées l'une de l'autre d'un quart de période, génèrent le champ magnétique vertical (Bz) avec un déphasage longitudinal (ϕ) réglable

continuellement de -180° à +180° par rapport au champ magnétique horizontal. En jouant avec les trois courants qui traversent les bobines, on peut accorder indépendamment 𝐵 , et 𝐵 et ϕ, et produire ainsi une polarisation elliptique sur mesure, définie par ses trois paramètres de Stokes S₁, S₂ et S₃ (voir chapitre 1). Techniquement, le changement d’hélicité de la lumière (S₃ -S₃) est obtenu en basculant la polarité du courant des bobines vertes. A noter que le signe de S3 est donné par le signe du courant PS1 qui alimente les bobines vertes.

L'utilisation d'un matériau non magnétique (de l’air) rend l'onduleur linéaire avec le courant dans la bobine (pas ou peu de saturation ni d’hystérésis) en termes d'erreurs de champ de crête et de champ résiduel intégré. Cela permet de réduire le nombre de réglages magnétiques, de réaliser des corrections et de faciliter le fonctionnement sous faisceau122.

La conception de l’onduleur a dû remplir deux exigences majeures :

 Offrir un flux (et une brillance) important jusqu'à 5 eV, malgré l'énergie nominale élevée de l'anneau de stockage SOLEIL de 2.75 GeV, tout en maintenant une charge thermique raisonnable sur les premières optiques (inférieure à 120 W) afin d'obtenir une bonne stabilité du rayonnement synchrotron transmis. Cela conduit à de faibles valeurs du champ magnétique, une très longue période magnétique

73 et un nombre suffisant de périodes N (le flux étant proportionnel à N). SOLEIL propose, et c’est unique, quatre sections droites très longues de 12 m dont l’une est dédiée à cet onduleur VUV. L’optimisation des contraintes a conduit à un dispositif d’insertion à 14 périodes magnétiques de longueur λ₀ = 640 mm avec des champs magnétiques crête de l’ordre de 0.11 T (en mode horizontal linéaire (LH)), correspondant à une valeur maximale de K= 6.57 (paramètre de réflexion) avec la définition habituelle suivante : 𝐾 _, = 0.934𝜆 [𝑐𝑚]𝐵 _, [𝑇], où 𝐵 (et 𝐵 respectivement) est la composante horizontale (verticale) du champ magnétique sur l’axe120.

 Permettre de produire des ellipses de polarisation contrôlées que l’on peut ajuster continûment. En effet, la géométrie de la ligne comportant des incidences ni normales, ni rasantes induit des réflectivités complexes (amplitudes et phases) sur les optiques, dépendants de l'énergie. De sorte qu'en général, une polarisation elliptique non triviale doit être produite au niveau de l’onduleur afin d'obtenir une CPL pure parfaite au niveau de l'échantillon. Cela nécessite la production de champs magnétiques horizontaux et verticaux indépendants avec un déphasage longitudinal réglable. De plus, une fréquence de basculement d’hélicité d'environ 1 Hz était prévue à long terme, pour la réalisation d'expériences de CD dans le VUV avec un rapport signal / bruit correct.

Ces deux exigences ont conduit à l’adoption d’une technologie purement

électromagnétique, avec un design magnétique fixe (sans mouvements mécaniques) basé sur trois ensembles de bobines (cf Figure 28).

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Figure 28: Modélisation magnétique à trois périodes du concept d'onduleur à polarisation variable HU640 (OPHELIE2), montrant les trois jeux de bobines (sans fer), générant le champ magnétique horizontal (verte) verticaux et (bleu/rouge) à déphasage variable. Le dispositif d’insertion possède 14 périodes effectives plus

deux périodes de correction passives. Les dimensions sont en mm120.

1.1.2 La mise en forme du faisceau

Le rayonnement synchrotron émis par l'onduleur rencontre une première paire de miroirs M1 et M2, déviant le faisceau dans le plan horizontal. M1 est plan et absorbe la plus grande partie de la charge thermique (jusqu'à 120 W). Tandis que M2 est toroïdal, permettant une focalisation fine (<0.3 mm de diamètre) au centre du filtre à gaz situé à 8 m en aval. L'angle d'incidence (70°) et le matériau réfléchissant (Si) de M1 et M2 ont été choisis de manière à ce qu’en pratique aucun photon d'énergie supérieure à 60 eV ne soit transmis en aval. Par conséquent, toute la charge thermique est localisée sur la première paire de miroirs, ne posant pas de problème en aval.

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Figure 29: Conception optique de la ligne DESIRS : vue latérale (du dessus); (en bas) vue du haut. Les rayons rouges (ou verts) correspondent au faisceau blanc non dispersé (faisceau monochromatisé). 4QPD représente

une photodiode à 4 quadrants, EnS (ou ExS) la fente d’entrée (ou de sortie)120.

L’emploi d’un filtre à gaz rempli de Ne, Ar, Kr ou Xe avec des pressions pouvant aller jusqu’à 0.5 mbar sur une longueur d’absorption effective de 15 cm, permet de supprimer les harmoniques d’ordre élevé de l’onduleur, tout en maintenant des conditions UHV dans les parties externes connectées à la ligne grâce à un double pompage différentiel via des capillaires à faible conductance. D’après les mesures expérimentales réalisées et les calculs théoriques (loi de Beer-Lambert), la densité de colonne du filtre à gaz est suffisamment grande, pour atténuer jusqu’à 4 à 5 ordres de grandeur les harmoniques de l’onduleur qui pourraient être transmises par les ordres supérieurs des réseaux123. Donc, en remplissant la cellule avec le gaz rare adéquat (i.e. ayant le bon potentiel d’ionisation), on peut produire un rayonnement sans harmonique de 6 à 21 eV. Au-dessus de 21 eV, il n’est plus

nécessaire de supprimer les harmoniques dans le filtre à gaz car les réseaux ne transmettent plus de photons au-delà de 42 eV.

76 afin de limiter le fond d’électrons rapides et de ne pas conduire à la fragmentation (DPI) avec les ordres supérieurs, ainsi que pour supprimer la contribution des gaz porteurs (RH et TD).

En aval, M3 et M4 dévient le faisceau dans le plan vertical avec la même incidence de (70°) et le même matériau réfléchissant (Si) que M1/ M2. Cette déviation permet, donc, d’équilibrer les éventuels effets sur l’état de polarisation initial de la lumière émise par l’onduleur, de sorte que la seule rupture de symétrie entre la polarisation linéaire verticale (LV) et horizontale (LH) soit due au miroir post-focalisant M5. Cette configuration a été choisie pour que le flux de photons dans les modes LV et LH différent peu. Cette

géométrie est également adaptée pour obtenir la meilleure efficacité de focalisation sur la fente d'entrée horizontale (EnS) du monochromateur (NIM).

1.1.3 Le monochromateur (NIM) et le miroir M5

Le monochromateur à incidence normale (NIM) de type un « Eagle off-plane » de distance focale de 6.65 m, a été transféré de la ligne de lumière SU5124125.

Le NIM est composé principalement de deux ensembles: un ensemble « fente » et un ensemble « réseaux » séparés par un tube équipé de déflecteurs de lumière pour limiter la lumière parasite. Aux deux réseaux hautement dispersifs dotés de 2400 et 4300 traits/mm, ont été rajoutés deux autres réseaux peu dispersifs dotés de 200 et de 400 traits/mm, pour la réalisation d’expériences sur DESIRS à haut flux et résolution modérée. Ainsi, le

compromis résolution/flux de photons peut être facilement ajusté en jouant avec la largeur de la fente de sortie et la densité des traits du réseau, offrant un pouvoir de résolution (RP =

∆ ) variable entre 200000 et 100.

Dans cette thèse, les expériences ont été réalisées avec le réseau peu dispersif de 200 (trait/mm) qui couvre de façon optimale la gamme de 5 à 21 eV. Ce qui donne un bon compromis entre un flux de photon élevé et une bande passante correcte de l’ordre de quelques meV à quelques dizaines de meV, en général plus faible que la résolution en

77 énergie du VMI avec laquelle elle sera convoluée.

Après la fente de sortie (ExS), le rayonnement synchrotron monochromatique est

refocalisé et dirigé vers les branches expérimentales A ou B à l’aide du miroir torique post-focalisant M5.

1.1.4 Le polarimètre

Après M5, un polarimètre « home made » adapté au VUV126, transféré de la ligne de lumière SU5 puis jouvencé, est installé dans le bras de post-focalisation de la branche A, juste après le dernier élément d’optique (M5) et avant l’échantillon. Il est basé sur la mesure du flux transmis après 2x3 réflexions sur deux éléments optiques en rotation (prismes + miroir plan) servant de déphaseur et d'analyseur que l’on peut insérer dans le faisceau, sous vide, à tout moment.

L'analyse des modulations du flux obtenues en faisant tourner indépendamment les deux blocs d'éléments optiques, le long de l'axe principal du rayonnement (RS), fournit directement, l'ensemble des paramètres de Stokes qui définissent l'ellipse de polarisation du rayonnement parvenant au polarimètre. Les composantes polarisées linéairement du rayonnement peuvent être séparées de la composante circulaire, et de la composante non polarisée (S4), le tout sans faire aucune hypothèse. On note que ce polarimètre est

essentiel pour le réglage et la calibration de l’onduleur, i.e. la détermination de la

polarisation à produire au niveau de l’onduleur, permettant d’obtenir une lumière polarisée circulaire (CPL) pure au niveau de l’échantillon, et ce sur un large spectre d’énergies de photons.

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Figure 30: Aval de la ligne DESIRS