Accélérateur linéaire d'électrons à fort gradient en bande S pour ThomX

High-gradient S-band electron Linac for ThomX

• Auteur / Autrice : Luca Garolfi
• Direction : Mohamed El Khaldi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des accélérateurs
• Date : Soutenance le 12/01/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'accélérateur linéaire (Orsay, Essonne ; 1969-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : PMB ALCEN
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Achille Stocchi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed El Khaldi, Achille Stocchi, Walter Wuensch, Philippe Balcou, David Alesini, Vincent Le Flanchec, Christelle Bruni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Walter Wuensch, Philippe Balcou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Compton, Effet

Rayons X -- Diffusion

Accélérateurs d'électrons

Accélérateurs linéaires

Mots clés libres

Accélérateur

Linac bande S

Électrons

Fort gradient

ThomX

Photo-injecteur

Accelerator

S-band Linac

Electrons

High gradient

ThomX

Photo-injector

Résumé

ThomX, un démonstrateur de source Compton compacte de rayons X d’énergie réglable entre 45 et 90 keV, est en construction sur le campus de l'Université Paris-Saclay à Orsay. La thèse s’inscrit dans le cadre de l’upgrade du linac de ThomX qui consiste à réaliser une section accélératrice compacte à fort gradient en bande S (3 GHz) pour porter les faisceaux de ThomX de 50 MeV à 70 MeV. Un accord de collaboration R&D est signé entre LAL et PMB-Alcen pour développer une structure accélératrice en cuivre (OFHC) compacte en bande S à fort gradient. Une étude électromagnétique, thermique et dynamique de faisceau a été effectuée au LAL pour proposer une géométrie optimale de la section accélératrice pour atteindre des gradients accélérateurs très élevés. PMB est en charge d’améliorer les processus de fabrication en commençant par la réalisation des prototypes pour valider les choix technologiques et ensuite fabriquer la section finale pour répondre aux spécifications demandées. Dans un premier temps une étude couplée électromagnétique-thermique-structurelle du canon HF a été effectuée en utilisant le Logiciel d'analyse des éléments finis 3D (ANSYS). Ensuite l’étude électromagnétique et l’optimisation de la géométrie des cellules accélératrices ainsi que la conception des coupleurs de puissance pour constituer les prototypes à impédance constante avec un certain nombre de cellules réduit et la section accélératrice compacte à gradient constant ont été effectuées en utilisant les logiciels CST MWS et HFSS. Puis une étude thermomécanique de la structure accélératrice a été réalisée avec ANSYS pour concevoir et optimiser le circuit de refroidissement pour extraire la chaleur générée par la puissance HF dissipée dans les parois de la structure et garantir une répartition uniforme de la température au long de la structure. Les simulations du vide ont été également réalisées avec le code Monte Carlo pour envisager la meilleure solution de pompage pour le prototype de cuivre et la section finale. En outre, les principales étapes suivies dans la fabrication du Canon HF au LAL et le prototype en aluminium à 7 cellules chez PMB-Alcen ont été présentées. Des tests HF bas niveau du prototype ont été effectués afin de valider la géométrie « processus d’usinage ». Compte tenu des résultats expérimentaux, des problèmes techniques et des contraintes technologiques ont été abordées et certaines solutions ont été proposées pour la fabrication des prototypes en cuivre et de la section finale. Les simulations de la dynamique des faisceaux du Linac de ThomX ont été effectuées en utilisant le code ASTRA. Le but est de réduire autant que possible la dispersion en énergie et l’emittance transverse du paquet d’électrons au point d’interaction avec les impulsions laser, pour préserver la pureté spectrale de rayons X produits. Un modèle aussi proche que possible des caractéristiques des composants réels, tels que le canon HF, la section accélératrice à onde progressive (OP) et les solénoïdes a été pris en compte dans les simulations. Des résultats importants ressortent de ces simulations concernant les paramètres du laser (taille et durée du spot), le champ magnétique maximal des solénoïdes pour la compensation de l'effet de charge espace, le déphasage entre l’onde RF et le laser et l'effet du champ électromagnétique sur la dynamique des électrons. Différentes options pour les paramètres de fonctionnement de la machine et une nouvelle configuration de la position des solénoïdes ont été proposées. L’optimisation des caractéristiques du paquet d’électrons a été obtenue en utilisant un algorithme génétique et les performances finales du faisceau d’électrons ont été mises en évidence.

The ThomX source should provide quasi-monochromatic high-quality X-rays (range 45-90 keV). The framework of the thesis is the electron beam linac energy upgrade from 50 MeV to 70 MeV necessary to achieve X-rays of 90 keV. For this purpose, the development of a compact high-gradient S-band electron accelerating structure is needed. It implies a research and development (R&D) activity at LAL in partnership with a French company (PMB-Alcen) in the High-Gradient (HG) technology of accelerating structures. The LAL-PMB-Alcen collaboration aims at the fabrication of a normal-conducting HG S-band structure by tackling the technological aspects that limit the achievement of high-gradient acceleration mostly due to vacuum RF breakdown and pulsed heating fatigue. Basically, the electromagnetic and thermal design of the HG S-band accelerating section has been performed at LAL. Meanwhile, PMB-Alcen was in charge to perform the fabrication, tuning and low power tests of prototypes and the final accelerating section. In this work, a fully coupled electromagnetic-thermal-structural finite element analysis on the THOMX RF gun has been performed with Ansys workbench. The HG accelerating section final regular cell dimensions and the power coupler design have been optimized. In particular, the electromagnetic simulation techniques and outcomes have been applied to constant impedance (CI) TW prototypes and also to a constant gradient (CG) final accelerating section. This allowed to verify the geometry choice, validate the fabrication procedure and check the fulfilment of the normal operating conditions. Moreover, a coupled thermo-mechanical study on a CI copper prototype has been performed. The water cooling system has been simulated to validate the capability to extract the heat generated by the dissipated power on the walls of the structure and guarantee a uniform temperature distribution along the section. Also, vacuum simulations have been performed on a 16-cells CI copper prototype and also on the final CG accelerating section. In addition, the main steps for the fabrication of the RF gun at LAL and a 7-cells aluminium prototype at PMB-Alcen have been presented. RF low power tests on the prototype have been performed in order to validate the 3D geometry design and the machining process. Taking into account the experimental results, mechanical problems and technological constraints have been tackled and some solutions have been proposed for the future copper prototype fabrication. Finally, beam dynamics simulations of the ThomX linac has been carried out by ASTRA code. The aim is to reduce as much as possible the energy spread and the transverse emittance to preserve the spectral purity of the produced X-rays, at the electron-photon interaction point. A model as close as possible to the characteristics of the real components, such as RF gun, TW section and solenoids has been considered. Important results came out from these simulations regarding laser parameters (spot size and duration), the maximum magnetic field of solenoids for high space charge effect compensation, dephasing between the RF and laser in the gun and effect of the travelling wave electromagnetic field on the particle dynamics. Different options for the parameter settings of machine operation and a new configuration of the solenoids position have been proposed. An optimization of the beam dynamics properties has been obtained by using a genetic algorithm and the ultimate performances of the electron beam have been highlighted.