ThomX est une source compacte de rayons X regroupant l’expertise de plusieurs laboratoires dans les domaines des acc´el´erateurs (LAL, SOLEIL), des cavit´es optiques (LAL), des amplificateurs laser (CELIA) et de l’utilisation des rayons X (Institut N´eel, UMPC, INSERM, CHU Grenoble,...) [26]. ThomX est en cours d’installation dans l’igloo du Laboratoire de l’Acc´el´erateur Lin´eaire depuis F´evrier 2017. Le sch´ema d’installation est repr´esent´e sur la Fig. 1.9.
1.4.1 Acc´el´erateur
Les diff´erents composants de ThomX sont pr´esent´es sur la figure 1.10. Un canon `a ´electrons, suivi d’une section acc´el´eratrice en bande S, permettent d’injecter dans l’anneau de stockage des paquets de charge 1 nC, d’´energie 50 MeV, `a une fr´equence de r´ep´etition de 50 Hz pour une emittance normalis´ee < 5.5 mm.mrad et une dispersion en ´energie < 1 %, voir Tab. 1.1. Un changement de section acc´el´eratrice est envisag´e pour monter l’´energie de ´electrons `a 70 MeV, permettant de produire des rayons X de 90 keV. L’injection des paquets d’´electrons dans l’anneau se fait par un septum qui vient fortement courber leur trajectoire pour les mettre dans le tube `a vide. Suit un kicker qui permet d’ajuster plus finement et plus rapidement leur trajectoire, avec une dur´ee de fonctionnement nettement inf´erieure `a la p´eriode de r´evolution des paquets dans l’anneau. Un second kicker est utilis´e pour l’extraction, celui-ci d´evie l´eg`erement (< 5 mrad) la trajectoire du paquet d’´electrons, puis le mˆeme septum que pour
1.4. La source de rayons X ThomX
Figure 1.9: Image de l’installation de ThomX dans le bˆatiment du Laboratoire de l’Acc´el´erateur Lin´eaire.
l’injection les ´ejecte avec un angle ≃ 170 mrad du tube `a vide. L’anneau de stockage a une taille relativement compacte de par sa circonf´erence de 18 m. Il est compos´e de 8 dipˆoles pour courber la trajectoire du faisceau d’´electrons, 24 quadrupoles pour le focaliser, et 12 sextupoles pour corriger les d´efauts de chromaticit´e introduits par les quadrupoles. La courte dur´ee de stockage des ´electrons dans l’anneau, autour de 20 ms, n’est pas suffisante pour induire une perte significative d’´energie des paquets d’´electrons par rayonnement synchrotron. La tr`es courte section acc´el´eratrice compos´ee d’une cavit´e radiofr´equence (RF) de 500 MHz ne sert donc pas `a restaurer `a chaque tour l’´energie des ´electrons mais agit comme une lentille longitudinale pour la compression des paquets et l’asservissement longitudinale . La fr´equence de r´evolution des ´electrons dans l’anneau est fix´ee `a la trenti`eme sous-harmonique de la fr´equence RF, soit 16.67 MHz. Apr`es plus de 300 000 tours, le faisceau d’´electrons est dirig´e vers un absorbeur et un nouveau paquet d’´electrons est inject´e dans l’anneau. Les collisions avec le faisceau laser pour produire les rayons X ont ´egalement lieu `a une fr´equence de 16.66 MHz.
Chapitre 1. Production de rayons X
Energie 50-70 MeV
Dispersion en ´energie en fin de cycle 0.6 % Charge d’un paquet 1 nC Fr´equence de r´evolution de l’anneau 16.67 MHz Emittance normalis´ee rms < 5.5 mm.mrad Longueur d’un paquet en fin de cycle 50 ps
Taille transverse σx,y 70 µm
Table 1.1: Param`etres nominaux de l’anneau de stockage de ThomX.
1.4.2 Cavit´e Fabry-Perot
Le r´esonateur optique de ThomX est une cavit´e Fabry-Perot planaire compos´ee de quatre miroirs, voir Fig. 1.11. Les param`etres nominaux de la cavit´e optique et du faisceau laser sont r´epertori´es sur la Tab. 1.2. La fr´equence d’aller-retour du faisceau laser `a l’int´erieur est de 33.33 MHz, soit deux fois la fr´equence de r´ep´etition des ´electrons. Cette contrainte est impos´ee par l’espace restreint dont nous disposions. En effet une fr´equence de 16.67 MHz imposerait une table optique de pr`es de 4.5 m de long. De plus la longueur du chemin optique passerait de 9 m `a 18 m, rendant encore plus difficile la stabilisation du faisceau laser dans la cavit´e, voir Sec. 3.3.2. Enfin la r´ealisation d’un oscillateur laser `a 33.33 MHz est d´ej`a tr`es complexe. Un oscillateur `a 16.67 MHz le serait encore plus, notamment avec le niveau de bruit de phase que nous souhaitons avoir. Ces consid´erations imposent donc qu’une impulsion laser sur deux n’interagisse pas avec les ´electrons, au prix d’un facteur deux sur la luminosit´e de l’interaction Compton. On pr´evoit environ 500 kW de puissance moyenne optique stock´ee dans la cavit´e, pour des pulses d’une dur´ee de 10 ps `a une longueur d’onde de 1031 nm. Cette puissance est n´ecessaire pour atteindre les performances en terme de flux de rayons X. Les d´etails techniques de la cavit´e optique sont donn´es Sec. A.4. Le point de collision entre le faisceau d’´electrons et le faisceau laser est repr´esent´e par l’´etoile sur la figure 1.11, et les rayons X produits par le cˆone vert.
Pour isoler le syst`eme optique des vibrations de l’environnement, la table optique est faite d’un bloc de marbre de 7 tonnes taill´e dans la masse, voir Fig. 1.12. La table est ´egalement capot´ee afin d’att´enuer les bruits acoustiques qui sont `a des fr´equences bien plus ´elev´ees que les bruits sismiques et donc plus difficiles `a amortir. Afin d’amener le faisceau laser au point d’interaction avec les ´electrons et de simplifier l’extraction des rayons X entre deux miroirs de la cavit´e, la table optique est mont´ee sur un hexapode, soit six v´erins ind´ependants et contrˆolables permettant de d´eplacer la table selon deux translations de ± 2 mm en vertical et ± 5 mm en horizontal avec une pr´ecision de 1 µm, ainsi que les
1.4. La source de rayons X ThomX
Figure 1.10: Sch´ema de la source ThomX.
trois rotations de ± 1 mrad avec une pr´ecision de 2 µrad voir Fig. 1.12.
1.4.3 Ligne X
Les rayons X produits par ThomX ont une ´energie d’environ 46 keV pour des ´electrons de 50 MeV, pour un flux de 1011 `a 1013 photons/s et une divergence de 10 mrad sans diaphragme, voir Tab. 1.3. Un changement de section acc´el´eratrice permettant d’utiliser des ´electrons de 70 MeV est envisag´ee pour le futur. Cela
Chapitre 1. Production de rayons X
Figure 1.11: Sch´ema de la cavit´e Fabry-Perot de ThomX. Les ´electrons, repr´esent´es par une ligne discontinue `a gauche, interagissent avec le faisceau laser, en bleu, pour produire les rayons X, en vert.
Longueur d’onde 1030 nm Dur´ee d’une impulsion au point d’interaction 10 ps Taille transverse au point d’interaction (w0) 100 µm Fr´equence de r´ep´etition oscillateur et cavit´e (FSR) 33.33 MHz
Finesse 42000
Facteur d’accroissement 21000 Puissance en entr´ee de cavit´e 50 - 100 W Puissance stock´ee 300 - 600 kW Table 1.2: Param`etres nominaux de la cavit´e Fabry-Perot de ThomX.
permettrait d’augmenter l’´energie des rayons X jusqu’`a 90 keV. Le faisceau de rayons X serait alors accordable en ´energie dans la gamme 30-90 keV en modifiant continument l’´energie des ´electrons et en adaptant le champ magn´etique des ´el´ements puls´es au fur et `a mesure. Le transport de ces rayons X depuis la table optique jusqu’aux utilisateurs est effectu´e par la ligne X. Afin de prot´eger les utilisateurs lors du fonctionnement de la machine, cette ligne X est s´epar´ee en deux parties. La premi`ere partie est dans la casemate de ThomX, la seconde derri`ere un mur en b´eton de 250 cm d’´epaisseur. Le faisceau X est transmis par un trou dans le mur. La premi`ere partie de la ligne, repr´esent´ee sur la Fig. 1.13, contient les ´el´ements principaux permettant de caract´eriser le faisceau X, ainsi que le syst`eme de focalisation.
Un obturateur compos´e d’une plaque ´epaisse de Tungst`ene permet tout d’abord de bloquer le faisceau pour permettre aux utilisateurs d’effectuer des mesures de
1.4. La source de rayons X ThomX
Figure 1.12: Sch´ema de la table optique de ThomX.
Energie maximale 46 keV (@ 50 MeV), 90 keV (@70 MeV)
Flux 1011−13 ph/s
Largeur spectrale 1 - 10 %
Divergence sans diaphragme 10 mrad @ 50 MeV
Table 1.3: Param`etres nominaux du faisceau de rayons X de ThomX.
Figure 1.13: Sch´ema de la premi`ere partie de la ligne X avec les diff´erents ´el´ements permettant de caract´eriser le rayonnement. Cette ligne est plac´ee dans l’igloo.
bruit de fond. S’ensuit un ´ecran de fluorescence permettant d’absorber la totalit´e du rayonnement pour en r´e-´emettre une image vers une cam´era CCD. Apr`es cet
Chapitre 1. Production de rayons X
´ecran est dispos´ee une fine feuille de Kapton permettant de r´efl´echir vers deux photodiodes une partie du rayonnement. La somme des signaux des photodiodes donne une mesure relative du flux de rayons X, tandis que leur diff´erence est reli´ee `a la position transverse relative du faisceau. Cette feuille de Kapton ´etant tr`es fine et pratiquement transparente dans la gamme d’´energie de ThomX, elle peut ˆetre positionn´ee en permanence. Le rayonnement passe ensuite dans un iris compos´e de deux fentes de 10 µm d’ouverture au minimum, permettant de s´electionner l’´energie du faisceau de rayons X, selon la corr´elation ´energie-angle des photons Compton, voir Sec. 1.3.1. Une mesure de la position absolue du faisceau est ensuite effectu´ee grˆace `a deux fils de Tungst`ene s´epar´es de quelques millim`etres. Les fils absorbent une partie des rayons X et transmettent du courant vers un d´etecteur qui en mesure la diff´erence, permettant de remonter `a la position du faisceau. Le faisceau de rayons X doit finalement ˆetre focalis´e ou collimat´e suivant les applications. Pour cela, il p´en`etre dans un syst`eme de focalisation compos´e d’un transfocateur, c’est-`a-dire d’une s´erie de lentilles pouvant ˆetre retir´ees et positionn´ees `a volont´e. Une partie est laiss´ee libre au bout de la table optique pour ajouter d’autres ´el´ements si n´ecessaire.
La seconde table de la ligne X comporte une photodiode en Silicium permettant de d´eterminer le flux absolu du rayonnement. L’´energie et la dispersion en ´energie du faisceau sont mesur´ees par un d´etecteur semi-conducteur en Germanium refroidi. Les deux d´etecteurs sont plac´es dans une monture permettant de d´ecrire le plan (x,y) du faisceau. Les deux tables de la ligne X sont s´epar´ees par un mur de b´eton de 1.5 m d’´epaisseur et reli´ees par un tube `a vide de diam`etre.