Des loopings sur l’accélérateur d’électrons Elsa

L’accélérateur d’électrons Elsa permet au CEA - DAM de produire du rayonnement X pour ses propres besoins. Or, lorsqu’on cherche à augmenter la production de rayonnement, des effets indésirables apparaissent. Les travaux présentés dans cet article nous ont permis de mieux comprendre et de contrôler les paquets d’électrons mis en jeu pour produire trois à quatre fois plus de rayonnement X [1,2].

Le rayonnement X intense est utile au CEA ‑ DAM pour de nombreuses recherches : étudier le durcissement de composants électroniques [3] ou caractériser des détecteurs destinés à être utilisés sur une installation comme le Laser Mégajoule. Au centre DAM Île-de-France, ce rayonnement est produit par Elsa, un accélérateur linéaire d’électrons. Des paquets d’électrons sont accélérés et viennent heurter une cible fixe, par exemple un morceau de tantale, ou un faisceau laser, produisant alors le rayonnement. Les électrons atteignent une énergie allant jusqu’à 30 MeV, se déplaçant alors à 99,986 % de la vitesse de la lumière. Or, pour satisfaire les besoins de nos utilisateurs, il faudrait encore augmenter la quantité de photons X produits.

La solution semble a priori évidente : augmentons le nombre d’électrons, nous produirons ainsi davantage de rayonnement X. Mais ce n’est pas si simple : les électrons étant tous chargés négativement, ils se repoussent les uns les autres. Leur densité volumique diminue, réduisant fortement la production de rayons X dans le cas de l’interaction avec le faisceau laser. Ainsi, il ne suffit pas de maximiser le nombre d’électrons, il faut aussi maintenir une densité élevée. Nous avons donc tenté de mieux comprendre comment évolue la densité du paquet d’électrons en fonction de sa charge. Pour cela, une campagne de mesures a été conduite, ainsi qu’une étude comparative de trois codes de simulation reproduisant le transport des électrons et les effets des champs électromagnétiques générés par les électrons.

Ces simulations prennent en compte la géométrie particulière d’Elsa, peu commune dans le monde. Cet accélérateur comporte deux aimants dont le champ magnétique courbe très fortement les trajectoires des électrons. Ces derniers effectuent ainsi un looping en forme de lettre grecque α. Cette géométrie est particulièrement intéressante, car jouer sur leur trajectoire permet de comprimer dans le temps les paquets d’électrons. En effet, au sein d’un paquet d’électrons donné, la dispersion en énergie est de l’ordre de 1 %. Or, les trajectoires sont légèrement différentes en fonction de l’énergie des électrons. La longueur des trajectoires des électrons au sein des aimants alpha est de 98 cm pour les électrons les moins énergétiques, et 102 cm pour les plus énergétiques, un peu plus difficiles à dévier. Malgré cette dispersion, les vitesses des électrons sont pratiquement identiques, proches de la vitesse de la lumière. De ce fait, la durée de parcours des électrons les plus énergétiques au sein d’un aimant alpha est plus longue (figure 1).

La différence de longueur des trajectoires de 4 cm est comparable à la longueur du paquet d’électrons. Pour comprimer un paquet, il suffit donc de placer les électrons plus énergétiques à l’avant. Ceux-ci se font rattraper par les électrons moins énergétiques initialement situés à l’arrière du paquet. La durée du paquet peut ainsi être réduite d’un facteur deux en sortie du compresseur.

Un autre effet à prendre en compte est celui du champ électromagnétique créé par le paquet d’électrons. De manière générale, celui-ci est une gêne : il désordonne le paquet d’électrons, qui devient plus difficile à contrôler. Cet effet est négligeable tant que les électrons se déplacent en ligne droite. Mais il peut devenir problématique lorsque les trajectoires des électrons sont fortement courbées, comme au sein des aimants alpha.

En l’occurrence, une des spécificités d’Elsa est que les trajectoires des électrons ont un rayon de courbure très petit, 15 cm à son minimum. Les électrons suivent une courbe, mais le champ se déplace en ligne droite, presque à la même vitesse. Une partie du champ électromagnétique court-circuite donc la trajectoire des électrons et arrive plus rapidement à la sortie de la courbe, comme le montre la figure 2. L’effet de désordre lié au champ électromagnétique est alors fortement amplifié.

Pour mieux appréhender l’effet de ces champs électromagnétiques, nous avons réalisé des simulations qui tiennent compte de cet effet, alors que la plupart des codes de simulation les négligent. Nous avons donc comparé deux codes classiques à un code plus complet incorporant l’effet de la propagation des champs sur les électrons. Nous avons comparé les résultats des trois codes avec des résultats expérimentaux. Tous sont en bon accord pour l’axe transverse Y, non affecté par la rotation (l’axe perpendiculaire à cette feuille). En revanche, nous avons pu montrer que, pour les deux codes classiques, il existe un désaccord important pour l’axe transverse X, affecté par la rotation. Nous avons montré que pour des paquets avec beaucoup d’électrons (charges supérieures à 2,5 nanocoulombs), les champs générés par les électrons ont un effet majeur sur les paquets d’électrons. Le code le plus complet, lui, reproduit bien cet effet.

Ces travaux nous offrent une meilleure compréhension du transport d’électrons au sein d’Elsa. Grâce à eux, nous avons optimisé la quantité d’électrons par paquet en tenant compte de l’effet des champs électromagnétiques, et ainsi multiplié par trois ou plus la production de rayonnement X.