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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) - PowerPoint PPT Presentation
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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
CEA-DIF/DPTA – J-L Lemaire SFP-Roscoff 2005 205/10/2005
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
CEA-DIF/DPTA – J-L Lemaire SFP-Roscoff 2005 305/10/2005
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
CEA-DIF/DPTA – J-L Lemaire SFP-Roscoff 2005 405/10/2005
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
CEA-DIF/DPTA – J-L Lemaire SFP-Roscoff 2005 505/10/2005
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
CEA-DIF/DPTA – J-L Lemaire SFP-Roscoff 2005 605/10/2005
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)
CEA-DIF/DPTA – J-L Lemaire SFP-Roscoff 2005 705/10/2005
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
CEA-DIF/DPTA – J-L Lemaire SFP-Roscoff 2005 805/10/2005
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
CEA-DIF/DPTA – J-L Lemaire SFP-Roscoff 2005 905/10/2005
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,
CEA-DIF/DPTA – J-L Lemaire SFP-Roscoff 2005 1005/10/2005
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
CEA-DIF/DPTA – J-L Lemaire SFP-Roscoff 2005 1105/10/2005
Dynamique du premier paquetCodes : TraceWIN/PARTRAN
Distribution initiale : 2,5 MeV, Water-bag
Dimension du faisceau d’électrons sur la cible : 1,2 mm
CEA-DIF/DPTA – J-L Lemaire SFP-Roscoff 2005 1205/10/2005
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.
CEA-DIF/DPTA – J-L Lemaire SFP-Roscoff 2005 1305/10/2005
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
CEA-DIF/DPTA – J-L Lemaire SFP-Roscoff 2005 1405/10/2005
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
CEA-DIF/DPTA – J-L Lemaire SFP-Roscoff 2005 1505/10/2005
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
CEA-DIF/DPTA – J-L Lemaire SFP-Roscoff 2005 1605/10/2005
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
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