Published November 3, 2016 | Version v1
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Development of a multi-keV Compton source on ELSA linac and optimization with a photons piling-up system

Description

X-ray sources based on inverse Compton scattering process produce tunable near-monochromatic and highly directive X-rays. Recent advances in laser and accelerator technologies make the development of such very compact hard X-ray sources possible. These sources are particularly attractive in several applications such as medical imaging, cancer therapy or culture-heritage study, currently performed in size-limited infrastructures. The main objective of this thesis is the development of an inverse Compton scattering source on the ELSA linac of CEA at Bruyeres-le-Chatel as a calibration tool for ultra-fast detectors. A non-resonant cavity was designed to multiply the number of emitted X-ray photons. The laser optical path is folded to pile-up laser pulses at the interaction point, thus increasing the interaction probability. Another way of optimizing the X-ray yield consists in increasing the electron bunch density at the interaction point, which is strongly dependent on the electron energy. A facility up-grade was performed to increase the electron energy up to 30 MeV. The X-ray output gain obtained thanks to this system was measured and compared with calculated expectations and 3D PIC simulations. (author)

Abstract (French)

La diffusion Compton inverse est l'interaction entre un photon et un electron de haute energie. Il en resulte l'emission d'un nouveau photon d'energie superieure a celle du photon incident suivant la trajectoire de l'electron. Ces proprietes rendent possible la creation d'une source de rayonnement X hautement directive, monochromatique accordable dans une large gamme spectrale. Il suffit d'accelerer les electrons sur quelques metres pour leur faire gagner l'energie minimale requise. Les photons proviennent d'une chaine laser fortement amplifiee. Une telle source est donc relativement compacte, peu couteuse a mettre en oeuvre et facilement accessible aux utilisateurs. Elle est particulierement adaptee aux besoins des musees ou des hopitaux pour des applications comme l'analyse d'oeuvres historiques ou la radiotherapie. L'objectif de cette these est de mettre en oeuvre une source de rayonnement X par diffusion Compton inverse en bout de ligne de l'accelerateur ELSA (Electrons et Laser, Sources X et applications). L'installation ELSA comprend un accelerateur lineaire d'electrons appartenant a la Direction des Applications Militaires du Commissariat a l'Energie Atomique a Bruyeres-le-Chatel (CEA DAM). Le but est de produire des impulsions de rayonnement X ultra-courtes dans une gamme energetique allant de 10 a 100 keV. Elle servira notamment a la caracterisation de detecteurs a reponse ultra-rapide developpes a la DAM. Un systeme optique destine a augmenter le flux de rayonnement X produit a ete developpe. Il consiste a replier la trajectoire du laser pour empiler les impulsions au point d'interaction. Dans le meme but, une mise a niveau de l'installation a ete realisee afin d'augmenter l'energie des electrons de 18 a 30 MeV. Les resultats experimentaux ont enfin ete compares aux resultats obtenus a l'aide de simulations PIC 3D

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Original title (French)
Developpement d'une source de rayonnement X par diffusion Compton inverse sur l'accelerateur ELSA et optimisation a l'aide d'un systeme d'empilement de photons

Publishing Information

Imprint Pagination
273 p.
Report number
FRCEA-TH--8977

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Notes
95 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the 'INIS contacts' section of the INIS website for current contact and E-mail addresses: http://www.iaea.org/inis/Contacts/; Also available from Service Commun de la Documentation de l'Universite Paris-Sud, Bat 407 - 91405 Orsay Cedex (France)