This thesis describes an investigation into the performance of different schemes for generating short x-rays pulses via synchrotron radiation emission. A review is given of the methods that have been previously proposed for this task. From this review, three leading schemes are selected for in-depth investigations, each of which explores the boundary of what is presently achievable in accelerator-based light sources. The first scheme generates short x-ray pulses by operating an electron storage ring in a quasi-isochronous state using a ‘low-alpha’ lattice. High and low emittance lattices are developed, studied through simulation and then implemented on the Diamond storage ring. Beam dynamics and bunch length measurements are presented for a variety of machine conditions, and an assessment is made of the minimum practically achievable bunch length for stable user operation. Radiation pulses of 1 ps r.m.s. are demonstrated using this scheme. The second and third schemes investigate performance limits for a linac-based light source through numerical simulations. The first of these generates ultra-short pulses by passing a highly compressed electron bunch through a long undulator to radiate in the ‘single-spike’ regime. A comparison is made with theoretical predictions for the required electron bunch length to operate in this way, which highlights the need for accurate start-to-end simulations. The final scheme generates ultra-short x-ray pulses through laser manipulation of the electron bunches. The modulated electrons pass through a long undulator with tapered gap, such that only the centre of the modulated portion experiences high free-electron laser (FEL) gain. A method to enhance the FEL output from this scheme using a wavelength filter and grating-compressor is investigated. The sensitivity of the two schemes to jitter sources is determined, and it is demonstrated both schemes are capable of generating GW-level, fully coherent sub-fs soft x-ray pulses. Such pulses would open up the development of time-resolved science to new regimes.

Les paquets d'électrons relativistes circulant dans les anneaux de stockage sont des sources de rayonnement VUV, X et THz incontournables. Cependant, ces systèmes sont également connus pour présenter des instabilités dynamiques. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'instabilité dite de microbunching, qui mène à l'apparition de microstructures à l'échelle millimétrique, et à l'émission de bouffées intense de rayonnement THz cohérent. L'objectif de la thèse était d'avancer dans la compréhension de la dynamique non-linéaire de ces structures, en combinant études expérimentales et numériques. Les expériences ont été effectuées au Synchrotron SOLEIL et à UVSOR, et les études numériques ont été principalement basées sur l'équation de Vlasov-Fokker-Planck. Dans un premier temps, la rapidité des échelles de temps impliquées nous a menés à réaliser des études indirectes. Des informations sur la dynamique à l'échelle picoseconde ont ainsi pu être déduites d'enregistrements au moyen de détecteurs possédant des constantes de temps beaucoup plus lentes (la microseconde), et en particulier en étudiant la réponse à des perturbations laser. Ensuite, au moyen de deux techniques nouvelles, nous avons pu réaliser les premières observations directes des structures et de leur dynamique. A UVSOR, nous avons utilisé un détecteur THz à film mince de YBCO supraconducteur. Ensuite, nous avons développé une méthode originale associant l'effet électro-optique et l'étirement temporel, ce qui nous a permis d'atteindre une résolution picoseconde, au Synchrotron SOLEIL. Ces nouvelles observations nous ont immédiatement permis de réaliser des tests extrêmement sévères des modèles théoriques. / Relativistic electron bunches circulating in storage rings are used to produce intense radiation from far-infrared to X-rays. However, above a density threshold value, the interaction between the electron bunch and its own radiation can lead to a spatio-temporal instability called microbunching instability. This instability is characterized by a strong emission of coherent THz radiation (typically 105 times stronger than the classical synchrotron radiation) which is a signature of the presence of microstructures (at mm scale) in the electron bunch. This instability is known to be a fundamental limitation of the operation of synchrotron light sources at high beam current. In this thesis, we have focused on this instability from a nonlinear dynamics point of view by combining experimental studies carried out at the Synchrotron SOLEIL and UVSOR storage rings with numerical studies mainly based on the Vlasov-Fokker-Planck equation. In a first step, due to the very indirect nature of the experimental observations, we have sought to deduce information on the microstructure wavenumber either by looking at the temporal evolution of the THz signal emitted during the instability or by studying the response of the electron bunch to a laser perturbation. In a second step, we have achieved direct, real time observations of the microstructures dynamics through two new, very different, detection techniques: a thin-film superconductor-based detector at UVSOR, and a spectrally-encoded electro-optic detection technique at SOLEIL. These new available experimental observations have allowed severe comparisons with the theoretical models.

In the framework of this thesis, a simulation model, based on Monte Carlo techniques, was developed for the study of breast imaging using Synchrotron Radiation (SR). The basic core of the model was developed in previous dissertations of our Department for conventional mammography. The existing model was expanded to include SR physical and geometrical characteristics and test the potential of SR for further optimization in breast imaging. The SR model was validated against experimental data from SYRMEP beamline of the Elettra Synchrotron Light Facility. The alterations of the new model comparing to the one for conventional mammography mostly concerned the geometry used (source-to-slit distance 22m), the narrow gaussian almost monoenergetic beam, and the scanning of the region of interest by a uniform movement of the phantom and the detector. Besides the generation of an image, the model was enriched with dose parameters (incident air kerma, backscatter radiation, entrance surface air kerma-Ke), in order to evaluate SR for both image quality and dose. The validation showed excellent results for 16-28 keV, for both image quality (subject contrast-SC) and dose (incident air kerma and corresponding number of photons) indices. In the case of SC, Pearson's correlation R was calculated 0.996, while in the case of dose validation, R was equal to 1. Regarding the backscatter, the validation was based on published data and the deviation did not exceed 2% for 20 keV. The performance of SR was then evaluated with mathematical phantoms designed to simulate difficult imaging tasks; the first experiment concerned a 4cm-thick phantom made of adipose tissue with embedded spheres of PMMA, glandular tissue and water of increasing diameter; the second one concerned a step wedge of 0-75% glandularity in a 5cm-thick background of adipose tissue and small calcifications in each step. The first experiment was used to compare SR energies (16-25 keV) to conventional mammographic spectra (Mo/Mo, Mo/Rh, Rh/Rh, W/Mo, W/Rh, W/Nb and W/Pd at 28 kVp) in terms of SC and CNR (Contrast-to-Noise Ratio). The results demonstrate that there is an energy range where CNR maximized (18-21 keV). The image quality indices are highly affected by the size and composition of the lesion, with PMMA showing a slightly degraded CNR compared to the same size glandular tissue inhomogeneity. SR energies between 18-21 keV demonstrate improved imaging performance compared to conventional spectra. For the second experiment, a Figure of Merit (FOM=CNR^2/Ke), was used as an index of the overall perfomance. The energy on the detector was kept constant at 7μGy for SR energies 19-25 keV (for 20 keV, the corresponding Ke was 1.5mGy). The results showed that the best performance (highest FOM), is observed in higher energies. However, taking into consideration the contrast-detail visibility, the best performance was observed at 21-22 keV. Synchrotron Radiation seems promising for breast imaging, since it shows better performance in cases where conventional mammography faces limitations. However, further exhaustive performance studies, in terms of resolution and dose, are necessary in order to consider it as a reliable alternative for mammographic applications. / Στα πλαίσια της διατριβής αυτής, αναπτύχθηκε ένα μοντέλο προσομοίωσης με βάση τις τεχνικές Monte Carlo για την υπολογιστική μελέτη της εφαρμογής της Ακτινοβολίας Συγχρότρου (ΑΣ) στην απεικόνιση μαστού. Μια βάση για το σχεδιασμό του μοντέλου είχε διαμορφωθεί στο Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής για κλασική μαστογραφία. Το νέο μοντέλο σχεδιάστηκε και πιστοποιήθηκε ως προς την ακρίβεια των αποτελεσμάτων του, με βάση πειραματικές μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν με τη δέσμη SYRMEP του Elettra Synchrotron Light Facility στην Τεργέστη. Οι διαφορές του μοντέλου για ΑΣ σε σχέση με το προηγούμενο που είχε αναπτυχθεί για κλασική μαστογραφία παρατηρήθηκαν κυρίως στη διάταξη (απόσταση πηγής-σχισμής 22m), στη στενή gaussian μορφή της σχεδόν μονοενεργειακής δέσμης, αλλά και στην σάρωση της περιοχής ενδιαφέροντος από τη δέσμη, που πραγματοποιείται στην πράξη με την ομοιόμορφη κίνηση του συστήματος ομοίωμα-ανιχνευτής. Εκτός από τη δημιουργία εικόνας, στο μοντέλο προστέθηκαν και παράμετροι για τον υπολογισμό δοσιμετρικών στοιχείων (προσπίπτον kerma στην επιφάνεια του ομοιώματος, οπισθοσκεδαζόμενη ακτινοβολία, kerma εισόδου στην επιφάνεια του μαστού-Ke), για τη συνολική εκτίμηση της απόδοσης της ΑΣ στην απεικόνιση μαστού. Η πιστοποίηση του μοντέλου ως προς την ακρίβεια των παραγόμενων αποτελεσμάτων είχε εξαιρετικά αποτελέσματα, τόσο για την ποιότητα εικόνας (αντίθεση υποκειμένου-subject contrast), όσο και για τη δόση (προσπίπτον kerma και αντίστοιχος αριθμός φωτονίων). Ο συντελεστής συσχέτισης του Pearson, R, μεταξύ των δεικτών ποιότητας πειραματικής και προσομοιωμένης εικόνας, βρέθηκε 0.996, ενώ στην περίπτωση της επαλήθευσης της δόσης, ο συντελεστής R άγγιξε το 1. Για την οπισθοσκεδαζόμενη ακτινοβολία, η επαλήθευση πραγματοποιήθηκε με βάση βιβλιογραφικά στοιχεία και τα αποτελέσματα έδωσαν απόκλιση μικρότερη του 2% για 20 keV. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν πειράματα προσομοίωσης για την αξιολόγηση της ΑΣ με χρήση μαθηματικών ομοιωμάτων; στο πρώτο πείραμα σχεδιάστηκε ομοίωμα πάχους 4cm από λιπώδη ιστό με σφαιρικές ανομοιογένειες τριών διαφορετικών διαμέτρων και τριών διαφορετικών πυκνοτήτων (PMMA, αδενώδης ιστός και νερό); το δεύτερο πείραμα αφορά σε ομοίωμα αδενώδους ιστού αυξανόμενου πάχους (step wedge) 0-75% glandularity μέσα σε λιπώδη ιστό πάχους 5cm και με ενσωματωμένες αποτιτάνωσεις σε κάθε βήμα. Στο πρώτο πείραμα, συγκρίθηκαν ενέργειες ΑΣ (16-25 keV) με τα συνήθη μαστογραφικά φάσματα (Mo/Mo, Mo/Rh, Rh/Rh, W/Mo, W/Rh, W/Nb and W/Pd) στα 28 kVp ως προς το Subject Contrast (SC) και το Contrast-to-Noise Ratio (CNR). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι υπάρχει ένα εύρος ενεργειών (18-21 keV) όπου το CNR γίνεται βέλτιστο. Οι δείκτες ποιότητας εικόνας εξαρτώνται σημαντικά από το μέγεθος και τη σύνθεση της ανομοιογένειας με το PMMA να εμφανίζει ελαφρώς υποβαθμισμένο CNR σε σχέση με το αντίστοιχο μέγεθος ανομοιογένειας από αδενώδη ιστό. Οι ενέργειες ΑΣ στο εύρος 18-21 keV παρουσίασαν καλύτερη απόδοση από τα συμβατικά φάσματα. Για το δεύτερο πείραμα, χρησιμοποιήθηκε ένας δείκτης συνολικής απόδοσης (Figure of Merit - FOM=CNR^2/Ke). Για εύρος ενεργειών 19-25 keV, διατηρήθηκε σταθερή η ενέργεια στον ανιχνευτή (7 μGy), που αντιστοιχεί σε Ke=1.5mGy για 20 keV. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι την καλύτερη απόδοση (υψηλότερο FOM) παρουσίασαν οι υψηλότερες ενέργειες ΑΣ. Λαμβάνοντας όμως υπόψη και την ανιχνευσιμότητα των αποτιτανώσεων, η καλύτερη απόδοση παρατηρήθηκε στα 21-22 keV. Η Ακτινοβολία Συγχρότρου φαίνεται εξαιρετικά υποσχόμενη στην απεικόνιση μαστού, καθώς έχει καλύτερη απόδοση σε περιπτώσεις όπου η συμβατική μαστογραφία παρουσιάζει περιορισμούς. Εντούτοις, πρέπει να υποβληθεί σε περισσότερες μελέτες απόδοσης, ώστε να θεωρηθεί ως αξιόπιστη εναλλακτική για τις μαστογραφικές εφαρμογές.