Projet d’Accélérateur Linéaire Radiofréquence pour une source de rayonnement X

CEA-DIF/DPTA – J-L Lemaire SFP-Roscoff 2005 105/10/2005

Projet d’Accélérateur Linéaire Radiofréquence pour une

source de rayonnement X

J-L LemaireCEA-DIF/DPTA et le groupe d’étude RX2RF

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Sommaire

La radiographie X Objectifs Caractéristiques du projet DEINOS Le photo-injecteur (générateur HT, laser, photo-cathodes) L’accélérateur linéaire (RF optimisé SC) « filière radiofréquence » La focalisation terminale (optimisation de la dispersion d’énergie) Maquettage du photo-injecteur Conclusions

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Radiographie Eclair

Produire des rayons X intenses et pénétrants . . . . . . . . Conversion é Dose = f (I,V)

Focaliser finement les électrons sur la cible . . . . . . . . . . . Tache focale submillimétrique

Délivrer le faisceau pendant un temps de pose très court . . Durée d’impulsion 60 ns

Disposer de détecteurs haute résolution

Image expérimentale

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Objectifs

Conception d’un outil compact, sans R et D, capable de produire

-un faisceau d’électrons stable, -aux caractéristiques reproductibles

Validation des choix technologiques retenus, en suivant une démarche de démonstration par partie

Validation des codes de calculs utilisés pour la dynamique faisceau Caractérisation des faisceaux obtenus

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Filière RX2RF: projet DEINOS

Durée d’une impulsion 55 ns , constituée de 20 micro-impulsions successives (paquets à 352 MHz)Chaque paquet porte une charge de 100 nCEnergie de sortie du photo-injecteur: 2,5 MeV Energie du faisceau d’électrons délivré sur la cible: 51 MeV (mode de fonctionnement nominal). Diamètre du faisceau au point focal : millimétrique

Dimension du faisceau au niveau de la cathode Enveloppe du faisceau dans l’accélérateur Dimension du faisceau sur la cible

Géné HT

Diode et PK

LaserCavités accélératrices

Photo-injecteur Linac RF Supra Conducteur Focalisation terminale

Cible de conversion X

DEmonstrateur d’ INjecteur Optimisé pour un accélérateur Supraconducteur

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Filière RX2RF: technologie pour l’injecteur

Injecteur « PIVAIR »

Prime Power + Blumlein , terminée par un espace diode

~ 13 m de longueur maximum, ~1,1 m de diamètre

Energie faisceau : 2,5 MeV

« Machine à faible coût » technologie maîtrisée

-récupération de pièces rechanges,,-jouvence nécessaire et adaptation au nouveau besoin en réduisant la longueur de ligne, étude du transfert PK

Injecteur PIVAIR au CESTA

(générateur Haute Tension)

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Structure temporelle :

90 ps @266 nmLTMH

20 impulsions 20 impulsions

200 à 1000 ns ajustableCadence : 352,209 MHz Cadence : 352,209 MHz

Besoin en énergie :Rendement pK : 10% au début3% au bout de 50h d’utilisation à 1 Hz2% après plusieurs semaines d’utilisation

100 nC 25 µJ 2 µC 0,5 mJ

Longueur d’onde :

Profil :

266 nm

Homogène à l’intérieur d’un cercleFort besoin en énergie à 1064

nm

Filière RX2RF: technologie pour le laser

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Oscillateur SESAM352,2 MHz, 180 psNd :YVO4 1064 nm

500 mW

Sélecteur d’impulsion 

Contraste >100:1 Formation macropulse

Horlogegénérale

1,5 nJ / micro-impulsion

30 nJ / macro

2 trains (« macro-impulsions ») de 20 micro-impulsions

SOURCE

Redresseur macro-impulsion :Compensation du gradient de gain

des amplis

PhotoDétecteur + contrôle

REDRESSEUR

Chaîne amplificatrice

Nd :YAGCapacité :

80 mJ/macropulse profil quelconque

Doublage (KTP) + Quadruplage

(BBO)

Tout au long de la chaîne : gestion du profil transverse du

faisceau :

Filtrage spatial + utilisation de

convertisseurs de profil gaussien –

homogène

0,5 mJ / macro-impulsion, profil

homogène

AMPLIFICATION

Chaîne ampli ELSA

Schéma “bloc-diagramme”du laser

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Filière RX2RF: technologie pour l’accélérateur

1 cavité = 4 cellules à 352 MHz,

cryomodule  « LEP »

Accélérateur linéaire RF constitué de 4 cavités comportant chacune 4 cellules résonantes à 352 MHz,

~ 12 m de long, 1,7 m de diamètre

Energie faisceau : 51MeV pour E = 7.5 MV/ m

« Machine compacte » technologie mature

Cellule accélératrice

résonant à 352 MHz,

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Dynamique du faisceau d’électrons

Charge d’un paquet : 100 nCNombre de paquets : 20Fréquence des paquets : 352,2 MHzEnergie finale : 51 MeV

Cryomodule Cavités SolénoïdePhoto-injecteur Cible

12,5 m2,5 m0,9 m

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Dynamique du premier paquetCodes : TraceWIN/PARTRAN

Distribution initiale : 2,5 MeV, Water-bag

Dimension du faisceau d’électrons sur la cible : 1,2 mm

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Dynamique du faisceau: beam loading

Il est impensable de fournir aux cavités une telle puissance !

Les cavités sont donc initialement remplies : 300 J

Les paquets pompent cette énergie les uns après les autres

La tension accélératrice initiale des cavités est alors : 17,3 MVLa phase synchrone initiale est : 45,7 °

Chaque cavité communique :- 9,5 MeV aux particules- 700 MW au faisceau sur 55 ns, soit 38 J.

Si rien n’est fait :- la tension accélératrice finale est : 16,2 MV- la phase synchrone du dernier paquet est : 49,6 °- le gain en énergie par cavité passe de 9,5 à 8,25 MeV du premier au dernier paquet.

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Focalisation terminale: influence du beam loading

Effet chromatique dans le solénoïde

Premier paquet

Dernier paquet

Le dernier paquet arrive avec une énergie de 48,5 MeV au lieu de 53,5 MeV pour le premier paquet.

Cible

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Maquettage photo-injecteur

Maquettage photo-injecteur (démonstration du principe de fonctionnement)

Prime Power + « Blumlein » , terminé par un espace diode

Energie faisceau : 1,5 MeV

« Maquettage très faible coût »

-fabrication d’un tube accélérateur,

-test insertion des photocathodes,

-tests photo-émission (mesure courant, énergie, durée impulsion)

-tests de courant d’obscurité

-tests de stabilité et de reproductibilité

diode

Prime power

laser

Mesure faisceau

Géné HT

Diode et PK

Laser

Photo-inecteur

- action 2006:

haute tension pulsée + laser + PK

Faisceau é

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Conclusions (1)

Design d’une machine pour produire un faisceau d’électrons de 51 MeV, 2 µC, 55 ns de dimension millimétrique,

La forte charge faisceau impose un mode de fonctionnement particulier qui consiste à pré-charger les cavités en énergie et les laisser se vider avec le passage du faisceau

L’architecture de la filière proposée permet un fonctionnement multi-temps, multi-axe,

Une phase de maquettage de la partie géné HT et photo injecteur à énergie réduite débute en 2006

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Conclusions (2)

L’obtention d’une tache électronique minimale au point focal nécessite trois actions à moyen terme:

- optimisation de la focalisation terminale achromatique,

- réduction de la dispersion en énergie des paquets grâce au réglage de la phase synchrone alternativement positive et négative,

-réduction de la dispersion en énergie de l’impulsion, par désaccord des cavités