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

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Projet d’Accélérateur Linéaire Radiofréquence pour une source de rayonnement X. J-L Lemaire CEA-DIF/DPTA et le groupe d’étude RX2RF. Sommaire. La radiographie X Objectifs Caractéristiques du projet DEINOS Le photo-injecteur (générateur HT, laser, photo-cathodes)

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projet d acc l rateur lin aire radiofr quence pour une source de rayonnement x

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

J-L Lemaire

CEA-DIF/DPTA et le groupe d’étude RX2RF

sommaire
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
radiographie eclair
Radiographie Eclair

Image expérimentale

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

objectifs
Objectifs
  • Conception d’un outil compact, sans R et D, capable de produire -un faisceau d’électrons stable,

-aux caractéristiques reproductibles

  • Analyse des possibilités pour différents profils d’emploi (fonctionnements multi-axe, multi-temps)
  • 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
slide5

Axe principal : accélérateur à induction

(AIRIX)

RX2 (second axe / étude de différentes solutions : filières)

Filière Induction non retenue

fili re diode
Filière Diode

Rod - pinch

Résultats expérimentaux

2 - 4 – 6 MV, 50 - 100 kA

Tache focale < 2mm

4axes, 4 temps, 4 Diodes

7 MV sur la diode, avec 50 étages, L=10 m

Filière GD expérimentale en construction

fili re laser
Filière laser

Couplage d’une fraction de l’énergie laser à la cible sous forme d’énergie cinétique électronique

Propagation des électrons de quelques MeV dans le matériau

Production de rayonnement de Bremsstrahlung

Dose utile prédite 0.1 Rad @ 1m pour 10 J « utiles » à une puissance d’éclairement  5 10 19 W/cm2

1

Dimension tache focale ~ 100 µm

Durée de l’impulsion laser 350 fs, durée impulsion X ~ 100 ps

90J – 10 20 W/ cm2 dose 2.3 Rad @ 1m, 1021 W/cm2 100 Rad @ 1m !!!

Filière Laser prometteuse(présentation E. Lefebvre)

fili re rx2rf projet deinos

Laser

Cavités accélératrices

Cible de conversion X

Diode et PK

Géné HT

Focalisation terminale

Linac RF Supra Conducteur

Photo-injecteur

Filière RX2RF: projet DEINOS

DEmonstrateurd’INjecteur Optimisé pour un accélérateur Supraconducteur

Durée d’une impulsion 55 ns , constituée de 20 micro-impulsions successives (paquets à 352 MHz)

Chaque paquet porte une charge de 100 nC

Energie 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

fili re rx2rf technologie pour l injecteur
Filière RX2RF: technologie pour l’injecteur

(générateur Haute Tension)

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

slide10

Filière RX2RF: technologie pour le laser

200 à 1000 ns ajustable

Cadence : 352,209 MHz

Cadence : 352,209 MHz

90 ps @266 nm

LTMH

20 impulsions

20 impulsions

Structure temporelle :

Besoin en énergie :

Rendement pK : 10% au début

3% au bout de 50h d’utilisation à 1 Hz

2% après plusieurs semaines d’utilisation

100 nC  25 µJ 2 µC  0,5 mJ

Longueur d’onde :

266 nm

Fort besoin en énergie à 1064 nm

Profil :

Homogène à l’intérieur d’un cercle

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Horloge

générale

Redresseur macro-impulsion :

Compensation du gradient de gain des amplis

PhotoDétecteur + contrôle

REDRESSEUR

Schéma “bloc-diagramme”du laser

Chaîne ampli ELSA

Chaîne amplificatrice

Nd :YAG

Capacité :

80 mJ/macropulse profil quelconque

Oscillateur SESAM

352,2 MHz, 180 ps

Nd :YVO4 1064 nm

500 mW

  • 1,5 nJ / micro-impulsion
  • 30 nJ / macro

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

Filtrage spatial + utilisation de convertisseurs de profil gaussien – homogène

Sélecteur d’impulsion 

Contraste >100:1

 Formation macropulse

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

Doublage (KTP) + Quadruplage (BBO)

AMPLIFICATION

0,5 mJ / macro-impulsion, profil homogène

SOURCE

fili re rx2rf technologie photo cathodes
Filière RX2RF: technologie photo-cathodes

Plan de l’enceinte d’évaporation

Dépôts Cs Te par co-évaporation

Photo-cathode en place

fili re rx2rf technologie pour l acc l rateur
Filière RX2RF: technologie pour l’accélérateur

Cellule accélératrice

résonant 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

1 cavité = 4 cellules à 352 MHz,

dynamique du faisceau d lectrons 1

0,9 m

2,5 m

12,5 m

Photo-injecteur

Cryomodule

Cavités

Solénoïde

Cible

Dynamique du faisceau d’électrons (1)

Charge d’un paquet : 100 nC

Nombre de paquets : 20

Fréquence des paquets : 352,2 MHz

Energie finale : 51 MeV

dynamique du faisceau d lectrons 2
Dynamique du faisceau d’électrons (2)

Codes utilisés: MAGIC, PARMELA, TraceWIN/PARTRAN

Distribution initiale : 2,5 MeV, Water-bag

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

dynamique du faisceau 3 beam loading
Dynamique du faisceau (3): beam loading
  • Chaque cavité communique :
  • 12,1 MeV aux particules
  • 450 MW au faisceau sur 55 ns, soit 24 J.

Il est impensable de fournir aux cavités une telle puissance !

Les cavités sont donc initialement remplies : 159 J

La tension accélératrice initiale des cavités est alors : 12,7 MV

Les paquets pompent cette énergie les uns après les autres

  • la tension accélératrice finale est : 16,2 MV
  • le gain en énergie par cavité passe de 12,1 MeV
  • à 11,1MeV du premier au dernier paquet.
focalisation terminale influence du beam loading
Focalisation terminale: influence du beam loading

Le dernier paquet arrive avec une énergie de 49,2 MeV au lieu de 53,1 MeV pour le premier paquet.

Dernier paquet

Premier paquet

Cible

Effet chromatique dans le solénoïde

maquettage photo injecteur

- action 2006:

Laser

Prime power

Diode et PK

Géné HT

diode

laser

Photo-inecteur

Mesure faisceau

Maquettage photo-injecteur

Faisceau é

haute tension pulsée + laser + PK

Maquettage photo-injecteur (démonstration du principe de fonctionnement)

Prime Power + « Blumlein » , terminé par un espace diode, laser, espace de métrologie faisceau

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

conclusions 1
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
conclusions 2
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