Dispositif expérimental

Nous avons imaginé et réalisé une expérience utilisant un spectromètre haute énergie, haute résolution en collaboration avec le laboratoire Leprince Ringuet (LLR) de l’Ecole Polytechnique. On utilise encore un dipôle comme élément dispersif qui va corréler position et énergie sur un écran LANEX, mais pour s’affranchir des problèmes de divergence du faisceau, on utilise un système focalisant qui va permettre d’obtenir l’image de la source d’électrons (du moins dans le plan 8_{De très récentes simulations effectuées dans le régime de l’injection froide, pour lesquelles}

l’inhibition d’onde de sillage est moins importante, semblent montrer que la mise en forme des faisceaux d’électrons est possible et optimisable.

dispersif). On utilise donc le dispositif expérimental suivant représenté figures4.33

et 4.34 : le faisceau d’électrons, injecté par collision des deux lasers et accéléré dans le plasma de 3 mm, est transporté par un triplet de quadripôles espacés de 1.2 m. Le faisceau est ensuite dévié par un dipôle magnétique vers le sol. Un premier écran LANEX permet de visualiser les énergies de 100 à 225 MeV, un deuxième les énergies supérieures. On peut contrôler la position du faisceau dans la ligne de transport à l’aide de deux moniteurs de position constitués d’écrans LANEX et de caméras. La diffusion des électrons dans les scintillateurs empêche cependant d’avoir cette information en même temps que le spectre.

Laser

pompe

Faisceau d'électrons

Ligne de transport de faisceau

Spectromètre imageur

3mm

4m

Fig.4.33 – Dispositif expérimental : le faisceau d’électrons accéléré dans le jet de gaz est transporté par un triplet de quadripôles dans un spectromètre imageur.

Fig. 4.34 – Photographie du dispositif expérimental monté en Salle Jaune. La ligne de transport a été conçue pour focaliser des électrons de 100 à 350 MeV sur une distance de 4.6 m, les électro aimants des quadripôles permettant d’obtenir des gradients maximaux de 14.2 Tm−1_{. Le dipôle utilisé est un aimant}

permanent de champ maximal B = 0.86 T et de longueur L = 40 cm. La figure

4.35 montre les résolutions attendues pour différents réglages de quadripôles. Ce calcul, comme le suivant, a été effectué par A. Ben Ismaïl, post doctorant au LLR avant puis au LOA. Il est effectué en utilisant le code de propagation de faisceau TraceWin [Duperrier 02], la carte de champ magnétique 3D du dipôle et en supposant une divergence de 3 mrad.

Le système est stigmatique pour une énergie de 300 MeV pour un réglage des quadripôles à 12 Tm−1_{. Dans cette configuration la résolution attendue est de}

0 2 4 6 8 10 12 100 200 300 400 500 600 Résolution (%) Energie (MeV) Lanex 1 Lanex 2 1% 6.6 T/m 9 T/m 12 T/m 14.2 T/m

Fig.4.35 – Résolution attendue en fonction de l’énergie pour plusieurs réglages de quadripôles pour un faisceau de divergence 3 mrad.

l’ordre de 0.1%. Pour des énergies inférieures, il est toujours possible d’ajuster le gradient des quadripôles pour atteindre une résolution inférieure au pourcent sur une fenêtre de quelques dizaines de MeV. La stabilité en énergie de nos faisceaux d’électrons (typiquement 5%) nous permet donc de mesurer les spectres avec une résolution inférieure au pourcent. Il est de toute façon intéressant d’avoir une énergie proche de l’énergie de focalisation des quadripôles. Pour des énergies éloignées, les pertes dans la ligne et la dispersion horizontale du faisceau d’électrons ne permettent pas de faire une mesure précise du spectre.

Pour illustrer ce propos, on représente dans la figure 4.36 le transport de l’enveloppe (deux fois la divergence rms) d’un faisceau, calculé avec les même outils que précédemment pour un faisceau de divergence 3 mrad. Chaque sous figure représente, en haut, l’évolution de l’enveloppe dans le plan horizontal, non dispersif et, en bas, l’évolution dans le plan vertical, dispersif. La figure a) représente le réglage optimal pour un faisceau de 200 MeV. La transmission est de 95 % et le faisceau est focalisé horizontalement. La figure b) représente, pour le même réglage des quadripôles, le transport d’un faisceau d’électrons de 180 MeV. Si la résolution, mesurée par la taille du faisceau dans le plan dispersif, reste correcte, le faisceau est étalé horizontalement sur le lanex ce qui diminue le rapport signal sur bruit. De plus, les pertes augmentent, passant à 10 %. Ces dernières sont bien plus importantes dans le cas d’un désalignement initial. La figure c) représente l’effet d’un désalignement horizontal de 5 mrad. Les pertes entre le premier et deuxième quadripôle représentent 50 % de la charge. Ce transport de faisceau inadapté aura donc en plus comme conséquence néfaste la production de rayonnement secondaire. Il faut ainsi être capable de régler précisément le pointé

x( cm )₀1 2 -1 -2 y( cm ) 0 1 2 -1 -2 Position (m) 1 2 3 4 c) Position (m) 1 2 3 4 x( cm )₀1 2 -1 -2 y( cm ) 0 1 2 -1 -2 Position (m) 1 2 3 4 a) Position (m) 1 2 3 4 x( cm ) ₀1 2 -1 -2 y( cm ) 0 1 2 -1 -2 Position (m) 1 2 3 4 b) Position (m) 1 2 3 4

Fig. 4.36 – Calculs de transport d’enveloppe de faisceaux de divergence rms 3 mrad pour un réglage des quadripôles à 9 T.m−1_{. a) Faisceau d’électrons de 200}

MeV, transport optimal. b) Faisceau d’électrons de 180 MeV. c) Faisceau avec un pointé désaligné de 5 mrad.

du faisceau d’électrons. Pour centrer le faisceau, nous utilisons les moniteurs de position placés respectivement à 1 et 2 m de la source. Comme l’axe laser n’est pas critique dans notre expérience avec jet de gaz (ce n’est pas le cas des expériences avec capillaire), on peut le modifier et changer ainsi le pointé du faisceau. Par ailleurs si pour des densités élevées le pointé du faisceau d’électrons fluctue de manière importante (> 5 mrad pour ne > 8 × 1018 cm−3), l’injection à deux

faisceaux permet de travailler à des densités pour lesquelles le pointé fluctue de moins de 3 mrad.

Enfin, les conditions laser étaient légèrement dégradées lors de cette campagne expérimentale qui fut la dernière avant une période de maintenance assez longue du laser. L’intensité du laser de pompe n’était plus que de a0 = 1.3. De plus, la compression du laser d’injection n’était plus optimisable : pour une durée de 30 fs, l’intensité aurait été de a1 = 0.35, cependant une incertitude d’un facteur 2 sur la durée demeure. Enfin, les fluctuations d’énergie laser étaient de 26 % rms (et 73 % maximum à minimum). Ces conditions dégradées nous ont empêché d’avoir une très bonne stabilité de faisceau.