Study of a high finesse four mirrors Fabry Perot cavity for X-rays and Gamme rays production by laser-electron Compton scattering
Étude d'une cavité Fabry Pérot haute finesse à quatre miroirs pour des applications de production de rayons X et gamma par interaction Compton laser-électrons
Résumé
The main goal of this thesis focuses on the study and design of a high finesse Fabry Perot cavity to amplify a laser beam in order to achieve power gains ranging from 1E4 to 1E5. This cavity is dedicated to the production of intense and monochromatic X-ray for medical applications (medical RADIOTHOMX ring) and gamma rays, for Compton based polarized positron source of the "Compact Linear Collider" CLIC, and the "International Linear Collider " ILC, by Compton scattering of a high power laser beam and electron beam.
To increase the brightness of the Compton interaction at the collision points, it is essential to have not only a high power laser beam but also very small laser beam radii at the interaction points. To achieve such performances, two scenarii are possible: a concentric two mirrors cavity witch is mechanically unstable or a four mirrors cavity more complex but more stable. We tested numerically mechanical stability and stability of eigen modes polarization of various planar and non-planar geometries of four mirrors cavities. Experimentally, we have developed a four mirrors tetrahedral "bow-tie" cavity; radii of the order of 20 microns were made. The eigen modes of such a cavity, in both planar and non planar geometries, were measured and compared with the numerical results. A good agreement was observed.
In a second time, the impact of Compton interaction on the transverse dynamics, in the case of the source of polarized positrons source, and the longitudinal dynamic, in the case of the medical ring of the electron beam was studied. Compton scattering causes energy loss and induces an additional dispersion of energy in electron beam. For the polarized positrons source, ten collision points are planned. The transport line has been determined and modelling of the Compton interaction effect with a simple matrix calculation was made. For the medical ring, Compton scattering causes bunch lengthening and energy dispersion increase which are to influence the produced X-ray flux. A study of the longitudinal dynamics of the electron beam in the ring was presented. The parameters of the ring that optimize the brightness of the Compton interaction were discussed. The X-ray flux that can be achieved with these parameters is about 1E13 photons/s.
To increase the brightness of the Compton interaction at the collision points, it is essential to have not only a high power laser beam but also very small laser beam radii at the interaction points. To achieve such performances, two scenarii are possible: a concentric two mirrors cavity witch is mechanically unstable or a four mirrors cavity more complex but more stable. We tested numerically mechanical stability and stability of eigen modes polarization of various planar and non-planar geometries of four mirrors cavities. Experimentally, we have developed a four mirrors tetrahedral "bow-tie" cavity; radii of the order of 20 microns were made. The eigen modes of such a cavity, in both planar and non planar geometries, were measured and compared with the numerical results. A good agreement was observed.
In a second time, the impact of Compton interaction on the transverse dynamics, in the case of the source of polarized positrons source, and the longitudinal dynamic, in the case of the medical ring of the electron beam was studied. Compton scattering causes energy loss and induces an additional dispersion of energy in electron beam. For the polarized positrons source, ten collision points are planned. The transport line has been determined and modelling of the Compton interaction effect with a simple matrix calculation was made. For the medical ring, Compton scattering causes bunch lengthening and energy dispersion increase which are to influence the produced X-ray flux. A study of the longitudinal dynamics of the electron beam in the ring was presented. The parameters of the ring that optimize the brightness of the Compton interaction were discussed. The X-ray flux that can be achieved with these parameters is about 1E13 photons/s.
L'objectif principal de cette thèse porte sur l'étude et la conception d'une cavité Fabry Pérot de haute finesse pour amplifier un faisceau laser dans le but d'atteindre des gains de puissance allant de 1E4 à 1E5. Cette cavité est destinée à la production de rayons-X intenses et monochromatiques pour des applications médicales (anneau médical RADIOTHOMX) et de rayons gamma, pour la source de positrons polarisés pour les collisionneurs linéaires CLIC "Collisionneur Linéaire Compact" et ILC "International Linear Collider", par interaction Compton entre un faisceau laser de grande puissance et un faisceau d'électrons.
Pour augmenter la luminosité de l'interaction Compton aux points de collisions, il est essentiel d'avoir non seulement un faisceau laser de très grande puissance mais il faut aussi que le faisceau soit très focalisé au point d'interaction. Pour atteindre de telles performances, deux cas de figures se présentent : une cavité concentrique mécaniquement instable ou une cavité à quatre miroirs plus complexe mais plus stable. Nous avons testé numériquement la stabilité mécanique et la stabilité de polarisation des modes propres de la configuration non planaire de différentes géométries de cavités à quatre miroirs. Expérimentalement, nous avons développé une cavité à quatre miroirs tétraédrique, des rayons de l'ordre de 20 micromètres ont été obtenus. Les modes propres de cette cavité, dans ses deux géométries planaire et non planaire, ont été mesurés et comparés aux résultats calculés numériquement. Un bon accord a été observé.
Dans un deuxième temps, l'impact de l'interaction Compton sur la dynamique transverse, dans le cas de la source de positrons polarisés, et sur la dynamique longitudinale, dans le cas de l'anneau médical, du faisceau d'électron a été étudié. La diffusion Compton provoque une perte d'énergie et induit une dispersion d'énergie additionnelle du faisceau d'électrons. Dans le cas de la source de positrons polarisés, dix points de collisions sont prévus. La ligne de focalisation a été déterminée et une modélisation de l'effet de l'interaction Compton sur le transport du faisceau, avec un calcul matriciel simple, a été faite. Dans le cas de l'anneau médical, l'interaction Compton provoque l'allongement du paquet d'électrons, qui à son tour influence le flux de rayons-X produit. Une étude de la dynamique longitudinale du faisceau d'électrons dans l'anneau a été présentée. Les paramètres de l'anneau qui permettent d'optimiser la luminosité de l'interaction Compton ont été discutés. Le flux de rayons-X qui peut être atteint avec ces paramètres est de l'ordre de 1E13 photons/s.
Pour augmenter la luminosité de l'interaction Compton aux points de collisions, il est essentiel d'avoir non seulement un faisceau laser de très grande puissance mais il faut aussi que le faisceau soit très focalisé au point d'interaction. Pour atteindre de telles performances, deux cas de figures se présentent : une cavité concentrique mécaniquement instable ou une cavité à quatre miroirs plus complexe mais plus stable. Nous avons testé numériquement la stabilité mécanique et la stabilité de polarisation des modes propres de la configuration non planaire de différentes géométries de cavités à quatre miroirs. Expérimentalement, nous avons développé une cavité à quatre miroirs tétraédrique, des rayons de l'ordre de 20 micromètres ont été obtenus. Les modes propres de cette cavité, dans ses deux géométries planaire et non planaire, ont été mesurés et comparés aux résultats calculés numériquement. Un bon accord a été observé.
Dans un deuxième temps, l'impact de l'interaction Compton sur la dynamique transverse, dans le cas de la source de positrons polarisés, et sur la dynamique longitudinale, dans le cas de l'anneau médical, du faisceau d'électron a été étudié. La diffusion Compton provoque une perte d'énergie et induit une dispersion d'énergie additionnelle du faisceau d'électrons. Dans le cas de la source de positrons polarisés, dix points de collisions sont prévus. La ligne de focalisation a été déterminée et une modélisation de l'effet de l'interaction Compton sur le transport du faisceau, avec un calcul matriciel simple, a été faite. Dans le cas de l'anneau médical, l'interaction Compton provoque l'allongement du paquet d'électrons, qui à son tour influence le flux de rayons-X produit. Une étude de la dynamique longitudinale du faisceau d'électrons dans l'anneau a été présentée. Les paramètres de l'anneau qui permettent d'optimiser la luminosité de l'interaction Compton ont été discutés. Le flux de rayons-X qui peut être atteint avec ces paramètres est de l'ordre de 1E13 photons/s.
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