High Voltage Direct Current (HVDC) is a rapidly growing form of power transmission that offers advantages with respect to conventional AC networks. One of the key elements that will allow the generalization of the HVDC grids is the Circuit Breaker (CB), which has to interrupt high DC currents in extremely short times. The use of a Thomson coil (TC) to generate high driving forces is being considered as a suitable working principle for the mechanical actuator inside the CB. This thesis presents the design of a concept of a mechanical actuator based on the Thomson coil for SCiBreak AB, a company whose final objective is to create a complete ultra-fast circuit breaker for HVDC lines. The design phase had to face challenges with the high forces required to open a gap between electrical contacts in just a few milliseconds. A detail design for the different components of the actuator was performed and analytical and CAD models of the system were generated. This thesis also included the construction and testing of a prototype at the company’s premises. The final output was the analysis and discussion of the experimental results of the prototype, as well as suggestions for the future development of the mechanical actuator. / Högspänd likström (HVDC, från engelskans High Voltage Direct Current) är en snabbt växande form av kraftöverföring som har många fördelar jämfört med konventionella växelströmsnätverk. Ett av huvudelementen i nätet är strömbrytaren (CB, från engelskans Circuit Breaker), vilken möjliggör avbrott i de höga likströmmarna på extremt korta tider. Användandet av en Thomson-spole (TC, från engelskans Thomson Coil) för att generera höga drivkrafter anses vara en lämplig arbetsprincip för manöverdonet inuti CB. I detta projekt konstruerades ett koncept av ett mekaniskt manöverdon baserat på Thomson-spolen för SCiBreak AB, ett företag vars slutliga mål är att skapa en komplett ultrasnabb strömbrytare för HVDC-linjer. Designfasen mötte utmaningar med de höga krafter som krävs för att öppna ett gap mellan elektriska kontakter på bara några millisekunder. En detaljdesign för de olika komponenterna i manöverdonet utfördes och analytiska och CAD-modeller av systemet genererades. Projektet omfattade också tillverkning och provning av en prototyp i företagets lokaler. Slutprodukten var en analys och en diskussion av prototypens experimentella resultat samt förslag till framtida utveckling av det mekaniska manöverdonet.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich nach der Analyse und Optimierung der Stromzuführungen auf Flüssigstickstoff-Temperaturniveau, hauptsächlich mit der Untersuchung einer Gemisch-Stickstoff-Kaskade als Kälteversorgungssystem eines resistiven HTSL-Kurzschlussstrombegrenzers. Unter einem Kurzschlussstrombegrenzer versteht man einen veränderlichen elektrischen Widerstand, welcher, gegebenenfalls in Serie mit konventionellen, mechanischen Stromunterbrechern, direkt in den zu schützenden Stromkreis eingebaut ist. Als veränderlicher elektrischer Widerstand kann z.B. ein supraleitendes Element verwendet werden. Im normalen Betriebsfall setzt dieser dem fließenden Strom praktisch keinen Widerstand entgegen. Die Dimensionierung wird so gewählt, dass im Falle eines Überstroms ein rascher Übergang in den normalleitenden Zustand erfolgt. Durch den nun vorhandenen Widerstand wird der Stromfluss sehr effektiv begrenzt, bis beispielsweise nachgeschaltete mechanische Schutzeinrichtungen ansprechen. Sobald dies erfolgt ist, kann der Supraleiter regenerieren und in den Ausgangszustand zurückkehren. Die Verwendung von HTSL-Material als Supraleiter erscheint hier höchst vorteilhaft, da damit ein Arbeiten auf Flüssigstickstoff-Temperaturniveau erlaubt wird. Ein entscheidender Punkt für die erfolgreiche Einführung der HTSL-FCL ist die Bereitstellung einer geeigneten Kälteversorgung. Dies kann entweder durch regelmäßiges Nachfühlen mit flüssigem Stickstoff oder durch den Einsatz einer Kältemaschine zur Stickstoffrekondensation realisiert werden. Beim Einsatz einer Kältemaschine hat man einen von der Stickstoffnachlieferung unabhängigen Betrieb mit geschlossenem Kühlsystem. Die Energiedissipation in dem HTSL-Element selbst ist unter Normalbedingungen vernachlässigbar klein. Für die Auslegung des Kühlsystems ist von Bedeutung, dass der größte Teil der Wärmelast durch die metallischen Stromzuführungen verursacht wird. Die Auslegung des Kühlsystems muss sich daher an der thermodynamischen Analyse der Stromzuführungen orientieren. Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Analyse von Kühlmethoden für solche Stromzuführungen hinsichtlich ihrer Effektivität und Wirtschaftlichkeit. Ein neues Kühlsystem auf der Basis einer Gemisch-Stickstoff-Kaskade wird vorgeschlagen als Alternative zu den derzeit in Frage kommenden Kühltechniken. Es wurde folgende Vorgehensweise gewählt: 1. Verschiedene Kühlmethoden zur Kühlung von SZF werden aufgeführt und thermodynamisch bewertet. 2. Kühlsysteme, basierend auf einer Gemisch-Stickstoff-Kaskade, werden vorgeschlagen und deren Charakteristika mittels numerischer Simulation bestimmt. 3. Ein auf der Basis einer Gemisch-Kältemaschine gebauter Stickstoffverflüssiger wird in Betrieb genommen und getestet. 4. Die Funktion und die Effektivität der Gemisch-Stickstoff-Kaskade zur Kühlung der Stromzuführungen werden bewertet. 5. Zugehörige Kühlsysteme auf der Basis verschiedener Kühltechniken werden analysiert 6. In einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung werden die Kühlsysteme einander gegenübergestellt Insgesamt kann als Ergebnis festgehalten werden, dass der Einsatz der vorgestellten Gemisch-Stickstoff-Kaskadenanlagen zur Kälteversorgung im vorgestellten Anwendungsfall eine durchaus wettbewerbsfähige, voraussichtlich sogar überlegene Alternative zu den sonst verfügbaren Methoden darstellt.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich nach der Analyse und Optimierung der Stromzuführungen auf Flüssigstickstoff-Temperaturniveau, hauptsächlich mit der Untersuchung einer Gemisch-Stickstoff-Kaskade als Kälteversorgungssystem eines resistiven HTSL-Kurzschlussstrombegrenzers. Unter einem Kurzschlussstrombegrenzer versteht man einen veränderlichen elektrischen Widerstand, welcher, gegebenenfalls in Serie mit konventionellen, mechanischen Stromunterbrechern, direkt in den zu schützenden Stromkreis eingebaut ist. Als veränderlicher elektrischer Widerstand kann z.B. ein supraleitendes Element verwendet werden. Im normalen Betriebsfall setzt dieser dem fließenden Strom praktisch keinen Widerstand entgegen. Die Dimensionierung wird so gewählt, dass im Falle eines Überstroms ein rascher Übergang in den normalleitenden Zustand erfolgt. Durch den nun vorhandenen Widerstand wird der Stromfluss sehr effektiv begrenzt, bis beispielsweise nachgeschaltete mechanische Schutzeinrichtungen ansprechen. Sobald dies erfolgt ist, kann der Supraleiter regenerieren und in den Ausgangszustand zurückkehren. Die Verwendung von HTSL-Material als Supraleiter erscheint hier höchst vorteilhaft, da damit ein Arbeiten auf Flüssigstickstoff-Temperaturniveau erlaubt wird. Ein entscheidender Punkt für die erfolgreiche Einführung der HTSL-FCL ist die Bereitstellung einer geeigneten Kälteversorgung. Dies kann entweder durch regelmäßiges Nachfühlen mit flüssigem Stickstoff oder durch den Einsatz einer Kältemaschine zur Stickstoffrekondensation realisiert werden. Beim Einsatz einer Kältemaschine hat man einen von der Stickstoffnachlieferung unabhängigen Betrieb mit geschlossenem Kühlsystem. Die Energiedissipation in dem HTSL-Element selbst ist unter Normalbedingungen vernachlässigbar klein. Für die Auslegung des Kühlsystems ist von Bedeutung, dass der größte Teil der Wärmelast durch die metallischen Stromzuführungen verursacht wird. Die Auslegung des Kühlsystems muss sich daher an der thermodynamischen Analyse der Stromzuführungen orientieren. Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Analyse von Kühlmethoden für solche Stromzuführungen hinsichtlich ihrer Effektivität und Wirtschaftlichkeit. Ein neues Kühlsystem auf der Basis einer Gemisch-Stickstoff-Kaskade wird vorgeschlagen als Alternative zu den derzeit in Frage kommenden Kühltechniken. Es wurde folgende Vorgehensweise gewählt: 1. Verschiedene Kühlmethoden zur Kühlung von SZF werden aufgeführt und thermodynamisch bewertet. 2. Kühlsysteme, basierend auf einer Gemisch-Stickstoff-Kaskade, werden vorgeschlagen und deren Charakteristika mittels numerischer Simulation bestimmt. 3. Ein auf der Basis einer Gemisch-Kältemaschine gebauter Stickstoffverflüssiger wird in Betrieb genommen und getestet. 4. Die Funktion und die Effektivität der Gemisch-Stickstoff-Kaskade zur Kühlung der Stromzuführungen werden bewertet. 5. Zugehörige Kühlsysteme auf der Basis verschiedener Kühltechniken werden analysiert 6. In einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung werden die Kühlsysteme einander gegenübergestellt Insgesamt kann als Ergebnis festgehalten werden, dass der Einsatz der vorgestellten Gemisch-Stickstoff-Kaskadenanlagen zur Kälteversorgung im vorgestellten Anwendungsfall eine durchaus wettbewerbsfähige, voraussichtlich sogar überlegene Alternative zu den sonst verfügbaren Methoden darstellt.

All across physics research, incoherent and coherent light sources are extensively utilized. Especially highly brilliant X-ray sources such as third generation synchrotrons or free-electron lasers have become an invaluable tool enabling experimental techniques that are unique to these kinds of light sources. But these sources have developed to large scale facilities and a demand in compact laboratory scale sources providing radiation of similar quality arises nowadays. This thesis focuses on Traveling-Wave Thomson-Scattering (TWTS) which allows for the realization of ultra-compact, inherently synchronized and highly brilliant light sources. The TWTS geometry provides optical undulators, through which electrons pass and thereby emit radiation, with hundreds to thousands of undulator periods by utilizing pulse-front tilted lasers pulses from high peak-power laser systems. TWTS can realize incoherent radiation sources with orders of magnitude higher photon yield than established head-on Thomson sources. Moreover, optical free-electron lasers (OFELs) can be realized with TWTS if state-of-the-art technology in electron accelerators and laser systems is utilized. Tilting the laser pulse front with respect to the wavefront by half of this interaction angle optimizes electron and laser pulse overlap by compensating the spatial offset between electrons and the laser pulse-front at the beginning of the interaction when the electrons are far from the laser pulse axis. The laser pulse-front tilt ensures continuous overlap between electrons and laser pulse while the electrons cross the laser pulse cross-sectional area. Thus the interaction distance can be controlled in TWTS by the laser pulse width rather than laser pulse duration. Utilizing wide, petawatt class laser pulses allows realizing thousands of optical undulator periods. This thesis will show that TWTS OFELs emitting ultraviolet radiation are realizable today with existing technology for electron accelerators and laser systems. The requirements on electron bunch and laser pulse quality of these ultraviolet TWTS OFELs are discussed in detail as well as the corresponding requirements of TWTS OFELs emitting in the soft and hard X-ray range. These requirements are derived from scaling laws which stem from a self-consistent analytic description of the electron bunch and radiation field dynamics in TWTS OFELs presented within this thesis. It is shown that these dynamics in TWTS OFELs are qualitatively equivalent to the electron bunch and radiation field dynamics of standard free-electron lasers which analytically proves the applicability of TWTS for the realization of an optical free-electron laser. Furthermore, experimental setup strategies to generate the pulse-front tilted TWTS laser pulses are presented and designs of experimental setups for the above examples are discussed. The presented setup strategies provide dispersion compensation, required due to angular dispersion of the laser pulse, which is especially relevant when building compact, high-yield hard X-ray TWTS sources in large interaction angle setups. An example of such an enhanced Thomson source by TWTS, which provides orders of magnitude higher spectral photon density than a comparable head-on interaction geometry, is presented, too. / Inkohärente und kohärente Lichtquellen werden in allen Feldern der physikalischen Forschung intensiv eingesetzt. Im Besonderen ermöglichen hoch-brilliante Röntgenquellen, wie Synchrotrone der dritten Generation und Freie-Elektronen Laser, einzigartige Experimentiertechniken wodurch diese zu unverzichtbaren Werkzeugen wurden. Sie sind allerdings auch im Umfang zu Großforschungseinrichtungen herangewachsen. Um den hohen Bedarf an hoch-brillianten Lichtquellen zu decken, besteht daher die Notwendigkeit neuartige und kompakte Quellen zu entwickeln welche auf dem Maßstab eines Labors realisierbar sind. Diese Dissertation widmet sich der Traveling-Wave Thomsonstreuung (TWTS) welche die Realisierung ultra-kompakter, intrinsisch synchronisierbarer und hoch-brillianter Röntgenquellen ermöglicht. TWTS ist eine Methode der Streuung von Laserpulsen an relativistischen Elektronen. Dabei durchquert ein Elektronenpuls mit nahezu Lichtgeschwindigkeit einen Laserpuls. Während der Durchquerung beginnen die Elektronen im Feld des Laserpulses zu oszillieren wobei sie Strahlung emittieren. Die ausgesandte Strahlung besitzt eine deutlich kürzere Wellenlänge als das Laserfeld aufgrund der hohen Elektronengeschwindigkeit und der damit verbundenen großen Dopplerverschiebung. Das besondere an TWTS ist, dass Elektronen- und Laserpropagationsrichtung einen Winkel einschließen sowie pulsfrontverkippte Hochleistungslaserpulse eingesetzt werden. Dadurch können um Größenordnungen längere Interaktionsdistanzen als in herkömmlichen frontalen Thomsonstreuungsanordnungen erreicht werden. TWTS ermöglicht dadurch die Realisierung optischer Freie-Elektronen Laser (OFEL) und inkohärenter Strahlungsquellen mit einer um Größenordnungen erhöhten Photonenausbeute gegenüber Thomsonstreuungsquellen in frontalen Interaktionsanordungen. Werden modernste Elektronenbeschleuniger und Lasersysteme genutzt, dann ist der Betrieb optischer Freie-Elektronen Laser bereits heute mit TWTS möglich. Das wird in der Dissertation am Beispiel eines Vakuumultraviolettstrahlung emittierenden TWTS OFEL gezeigt. Dessen Anforderungen an die Qualität der Elektronen- und Laserpulse werden im Detail in der Arbeit besprochen sowie weitere Beispiele weicher und harter Röntgenstrahlung emittierender TWTS OFEL präsentiert. Diese Anforderungen werden anhand von Skalierungsvorschriften ermittelt welche aus einer selbstkonsistenten, 1.5 dimensionalen Theorie zur Wechselwirkung zwischen Elektronen und Laserfeld in TWTS abgeleitet sind. Sowohl die Theorie zur Wechselwirkung als auch die Ableitung der Skalierungsvorschriften sind Teile dieser Dissertation. Eine wichtige Erkenntnis der Theorie ist die qualitative Äquivalenz von Elektronen- und Strahlungsfeldbewegungsgleichungen in TWTS zu denen herkömmlicher Freie-Elektronen Laser. Das beweist analytisch die Möglichkeit zur Realisierung eines OFEL mit TWTS. Einen weiteren wichtigen Teil dieser Dissertation bildet die Arbeit zur Generierung der Laserpulse mit verkippter Pulsfront. Optische Aufbauten zur Verkippung der Laserpulsfront werden vorgestellt und für einige der präsentierten TWTS OFEL ausführlich dargelegt. Die Aufbauten verkippen nicht nur die Laserpulsfront sondern gewähren gleichzeitig Kontrolle über die Laserpulsdispersionen. Dadurch kann während der gesamten Interaktionen eine ausreichend hohe Qualität des Laserfeldes sichergestellt werden, was für TWTS OFEL und inkohärente TWTS Lichtquellen mit großem Interaktionswinkel unbedingt notwendig ist. Ein Beispiel einer inkohärenten TWTS Lichtquelle wird ebenfalls präsentiert. Diese emittiert Strahlung mit einer um Größenordnungen höheren spektrale Photonendichte als eine herkömmliche Thomsonquelle in einer frontalen Streuanordnung mit vergleichbaren Laser- und Elektronenpulsen.

Parmi les douzaines d’expériences qui visent à découvrir la matière sombre, l’expérience de détection directe PICO utilise des détecteurs à liquide surchauffé comme moyen pour s’y prendre. La chambre à bulle PICO-40L remplie de C3F8, présentement située dans le laboratoire sous-terrain SNOLAB, est en cours de test en vue d’une recherche aveugle de WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) d’une durée de 1 an. Pour assurer la stabilité du détecteur pendant les périodes de préparation et pendant l’acquisition de données, un logiciel de surveillance a été écrit. Un moyen fiable de surveiller les paramètres importants du détecteur et d’envoyer des alarmes en cas d’urgence joue un rôle important à non seulement au succès de PICO-40L, mais aussi au développement du futur détecteur PICO-500. Située à l’Université de Montréal, la chambre à bulle PICO-0.1 a été conçue afin de calibrer les nombreux événements de fond qui se présentent dans ce type de détecteur. De plus, cette chambre à bulle a été utilisée comme première tentative au monde de mesurer la diffusion Thomson sur un noyau d’atome en exposant le détecteur rempli de C3F8 à une source de gamma produite par la réaction 19F proton à alpha et gamma 16O à l’aide d’un faisceau de protons crée par l’accélérateur de particules de l’Université de Montréal. Ce type d’interaction s’avérera à un événement de fond important pour les expériences de détection directe de matière sombre à bas seuil. / Amongst the dozens of experiments aiming to be the first to claim a dark matter signal, PICO is a direct dark matter detection experiment that utilizes superheated liquid detectors as a means of doing so. The latest C3F8 filled PICO-40L bubble chamber currently located in the SNOLAB underground laboratory is under testing to prepare for a 1 live-year blinded WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) search. To ensure the stability of the detector during both the testing and the data acquisition phases, a monitoring software was coded. A reliable way to monitor all the parameters and to send alerts accordingly plays an important role in not only the success of PICO-40L, but also the development of the future larger-scale PICO-500 detector. PICO-0.1 is a test bubble chamber located at the University of Montreal that was built to calibrate for the numerous background events that can occur in this kind of technology. This test chamber was also used as a world’s first attempt to measure the coherent (Thomson) photon scattering onto a nucleus by exposing the C3F8 filled detector to a gamma source produced by the 19F proton to alpha and gamma 16O reaction using a proton beam created by the University of Montreal particle accelerator. This kind of interaction will prove to be a significant background for future sub-keV direct dark matter detection experiments.

L'objet de cette thèse est de s'intéresser aux relations entre le compositeur allemand et la Grande-Bretagne. À première vue, cette idée peut paraître surprenante. En effet, Beethoven, compositeur allemand né en 1770, ne foula jamais le sol anglais à l’inverse d’autres compositeurs comme Haydn, Weber et Mendelssohn. Pourtant, ce travail s'efforcera de démontrer qu’une relation véritable s’était établie, qu’elle portait sur de nombreux aspects et qu’elle était mue par un sentiment d'admiration réciproque. En premier lieu, cette thèse s'attachera à définir, d'une part, les origines de l'enthousiasme du compositeur allemand pour la Grande-Bretagne et, d'autre part, les aspects de la culture britannique qui plurent tant au compositeur. Ainsi, la politique, le système parlementaire, la littérature et la musique anglaise furent autant d’éléments sur lesquels Beethoven portait son admiration. Aussi, nous retrouvons le témoignage de cette affection à travers certaines de ses œuvres et inspirations musicales. Ensuite, ce travail de recherche mettra en lumière les mécanismes qui permirent de faire de Beethoven un compositeur célébré dans tout le Royaume-Uni jusqu’à l’ériger en un nouveau héros musical britannique. Par conséquent, ce travail analysera la programmation et la réception des œuvres du compositeur dans tout le royaume et mettra en évidence le rôle du réseau beethovénien à Londres dans la promotion de sa musique. En effet, Beethoven put jouir de l’aide précieuse de deux réseaux : un premier réseau composé d’amis viennois ou étrangers résidant à Londres comme Clementi, Salomon, von Häring, Ries qui le mirent en relation avec un second réseau, composé de Britanniques comme les musiciens Smart, Neate ou l’éditeur Birchall. Ces deux lobbies se retrouvèrent dans l’outil principal de promotion de Beethoven, la Société Philharmonique de Londres, créée en 1813. La thèse démontrera également l'importance des différents aspects contextuels – social, historique et esthétique – favorables à la domination de Beethoven sur la scène musicale britannique. Enfin, ce travail montrera comment la presse fit du compositeur allemand un « citoyen » britannique. Pour terminer, au fil des pages, ce travail tentera de combler une lacune dans les études beethovéniennes, à savoir, l’explication des raisons qui poussèrent Beethoven à abandonner ses projets de visite, pourtant nombreux, en Grande-Bretagne. / The aim of this thesis is to focus on the relationship between the German composer and Great Britain. However, at first glance, this idea may be surprising. Indeed, Beethoven, born in 1770 in Germany never went to Britain unlike other composers such as Haydn, Weber and Mendelssohn. Nevertheless, this study will attempt to show that a true relationship was established, based on numerous aspects and on a reciprocal feeling of admiration. Firstly, this thesis will try to find the origins of the German composer’s enthusiasm for Britain and it will then define the different cultural aspects that were so dear to Beethoven. Thus, literature, music and politics emerge as the different aspects of British culture which the musician admired the most. As a result, it is possible to find tokens of his fascination for Britain through his works. In the same way, this research work will describe the mechanisms which contributed to make Beethoven a celebrated composer in the United Kingdom who, gradually, became the new British musical hero. Thus, this thesis will analyse the concert programmes and reception of Beethoven’s works and it will shed new light on the importance of networks which promoted the composer within the British musical scene. Indeed, Beethoven benefited from the valuable help of two networks: the first was composed of Viennese or foreign friends living in London like Clementi, Salomon, von Häring or Ries, who put him in contact with a second network, a British one with English musicians like Sir George Smart, Charles Neate or publishers like Robert Birchall. Finally, these two lobbies merged together into one of the key elements promoting Beethoven’s music, The Philharmonic Society, created in 1813. This study will also show the importance of the social, musical and esthetical factors which favoured Beethoven’s domination of the British musical scene. It will show how the British press elevated Beethoven to the rank of “British” citizen especially during his agony. Finally, in Beethoven studies, there is a major gap to fill in: the reasons why Beethoven abandoned the different projects of visiting England.

L’imagerie effectuée avec des rayons X est largement utilisée de nos jours dans de nombreuses disciplines telles que la physique du solide, les sciences du vivant et la médecine. Les sources de rayons X basées sur la diffusion Thomson d’un faisceau laser par des paquets d’électrons permettent d’obtenir des faisceaux de bonnes qualités pour un faible coût et un faible encombrement. Plusieurs instituts de recherche académiques se sont récemment lancés dans la construction de telles sources qui sont constituées d’un anneau des stockage d’électrons et d’un résonateur optique. Le résonateur optique permet de stocker des impulsions laser focalisées au point d’interaction laser-électron à des fréquences de plusieurs dizaines de méga Hertz. Des flux de rayons X dépassants 10^{11} ph/s peuvent ainsi être obtenus. Dans ce travail de thèse un modèle de stockage d’impulsion a été développé. Ce modèle prend en compte les effets de la phase CEP (carrier-envelope phase) et des décalages temporels permettant d’obtenir des résonances secondaires. Ces résonances sont observées couramment et nous avons pu calculer les gains et finesses équivalentes. Nous avons aussi calculé les corrections non-paraxiales des modes propres d’une cavité non-planaires. Nous avons résolu les équations perturbatives de Lax pour des faisceaux gaussiens elliptiques généralisés. Nous avons pu ainsi décrire qualitativement des résultats expérimentaux obtenus avec une cavité non-planaire constituée de quatre miroirs. Nous avons aussi modélisé l’effet des déformations thermoélastiques des miroirs de cavité en utilisant le modèle simplifié de Winkler. Sur le plan expérimental, nous avons effectué des études sur le résonateur optique prototype du projet EQUIPEX THOMX. Nous avons tout d’abord proposé une nouvelle méthode d’asservissement laser-cavité basée sur l’utilisation d’une possible différence de phase induite par la réflexion des ondes s et p. Comparée à la méthode de Pound-Drever-Hall, notre méthode ne nécessite pas de modulation et démodulation de fréquence. Nous avons effectué les calculs de modélisation ainsi qu’une démonstration expérimentale. En parallèle, nous avons effectué des expériences de stockage de puissance dans la cavité prototype de finesse 26000 et nous avons obtenu une puissance moyenne de 383 kW correspondant à un gain de 10000. Nous avons atteint un niveau de puissance pour laquelle des instabilités modales induites par les déformations thermoélastiques des miroirs de notre cavité deviennent dominantes et perturbent l’asservissement laser-cavité. Une machine à rayon X Thomson, TTX, existe aussi à l’université de Tsinghua. Celle-ci est basée sur un accélérateur linéaire et une source laser femtoseconde terawatt. Un nouveau projet basé sur un anneau de stockage compact d’électrons, TTX2, voit actuellement le jour à l’université de Tsinghua. Nous présentons le design du système optique de ce futur projet. / At present, X-rays imaging is widely applied in solid-state physics, in the life sciences, in medical applications and in other disciplines. An X-ray source based on laser-electron interaction, that is, a Thomson scattering X-ray source, can be used to produce high-quality X-rays at a low cost and small footprint. The construction of compact laser electron sources, consisting of an electron storage ring and an optical enhancement cavity, has recently attracted the interest of many institutions. The optical enhancement cavity is mainly used to amplify the injected power, circulate the pulses at a high repetition frequency (tens of megahertz) and produce a beam with a small waist at the interaction point. When introduced into the electron storage ring, the laser pulses produced in the high-average-power cavity scatter off high-energy electrons at a high repetition frequency. Thus, a high X-ray flux of more than 10^{11} ph/s can be obtained.In order to study the physical process inside a high-power resonator a model has been developed. As a first step, we establish a precise transient model of the laser pulse stacking technique considering the CEP (carrier-envelope phase) effect and time detuning leading to secondary resonances. The results of this model in the time and frequency domains match very well. A cavity with a given finesse and no detuning has a narrower linewidth than a detuned cavity with a higher finesse if both cavities have the same gain; consequently, it is easier to lock a laser to the latter cavity. Next, for the first time, we derived the non-paraxial corrections for general astigmatic beams so as to explain the S-shaped cavity mode observed in a non-planar four-mirror cavity. We solved Lax perturbation series of the wave equation for general elliptic Gaussian beams and S-shaped beam modes appear as the beam propagates away from the cavity symmetry point. This feature agrees qualitatively with observations made on a highly divergent non-planar four-mirror cavity. In addition, we study the thermal effect by using Winkler’s deformation model. The cavity gain is very sensitive to the mirror deformation in open loop. A strong feedback and ultra-low expansion mirrors are indispensable to reach a high power stored in the cavity.Several significant experiments were performed on a prototype cavity of the EQUIPEX project THOMX. Firstly, we proposed a new frequency stabilization method based on the polarization of a folded cavity and tuning of the cavity mirror reflectivity. Sufficient s- and p-wave phase detuning can be obtained by special design of the cavity mirrors’ coatings, which gives rise to an error signal that can be used for locking. Compared to the traditional Pound-Drever-Hall method, this technique is simpler without need for frequency modulation and demodulation. Theoretical calculations and experimental results demonstrate the feasibility of the proposed method. Meanwhile, high-power experiments on the prototype cavity for ThomX were demonstrated. A cavity finesse of approximately 26,000 is measured using four different methods, and the deposition of dust on the cavity mirrors is found to have an enormous effect on the finesse. We achieved a stable average power as high as 383 kW with a cavity gain of 10,000. In addition, modal instabilities which limit this power were observed. We believe that this effect originates from cavity modal frequency degeneracy induced by thermal effect.Tsinghua University hosts a compact, low-repetition-frequency X-ray source knownas TTX, which is based on a linac system and a terawatt femtosecond laser system. The next step is to upgrade TTX to a high-repetition-frequency X-ray machine called TTX2, consisting of an optical cavity and an electron storage ring. We present the complete design of a prototype optical cavity for TTX2.

All across physics research, incoherent and coherent light sources are extensively utilized. Especially highly brilliant X-ray sources such as third generation synchrotrons or free-electron lasers have become an invaluable tool enabling experimental techniques that are unique to these kinds of light sources. But these sources have developed to large scale facilities and a demand in compact laboratory scale sources providing radiation of similar quality arises nowadays. This thesis focuses on Traveling-Wave Thomson-Scattering (TWTS) which allows for the realization of ultra-compact, inherently synchronized and highly brilliant light sources. The TWTS geometry provides optical undulators, through which electrons pass and thereby emit radiation, with hundreds to thousands of undulator periods by utilizing pulse-front tilted lasers pulses from high peak-power laser systems. TWTS can realize incoherent radiation sources with orders of magnitude higher photon yield than established head-on Thomson sources. Moreover, optical free-electron lasers (OFELs) can be realized with TWTS if state-of-the-art technology in electron accelerators and laser systems is utilized. Tilting the laser pulse front with respect to the wavefront by half of this interaction angle optimizes electron and laser pulse overlap by compensating the spatial offset between electrons and the laser pulse-front at the beginning of the interaction when the electrons are far from the laser pulse axis. The laser pulse-front tilt ensures continuous overlap between electrons and laser pulse while the electrons cross the laser pulse cross-sectional area. Thus the interaction distance can be controlled in TWTS by the laser pulse width rather than laser pulse duration. Utilizing wide, petawatt class laser pulses allows realizing thousands of optical undulator periods. This thesis will show that TWTS OFELs emitting ultraviolet radiation are realizable today with existing technology for electron accelerators and laser systems. The requirements on electron bunch and laser pulse quality of these ultraviolet TWTS OFELs are discussed in detail as well as the corresponding requirements of TWTS OFELs emitting in the soft and hard X-ray range. These requirements are derived from scaling laws which stem from a self-consistent analytic description of the electron bunch and radiation field dynamics in TWTS OFELs presented within this thesis. It is shown that these dynamics in TWTS OFELs are qualitatively equivalent to the electron bunch and radiation field dynamics of standard free-electron lasers which analytically proves the applicability of TWTS for the realization of an optical free-electron laser. Furthermore, experimental setup strategies to generate the pulse-front tilted TWTS laser pulses are presented and designs of experimental setups for the above examples are discussed. The presented setup strategies provide dispersion compensation, required due to angular dispersion of the laser pulse, which is especially relevant when building compact, high-yield hard X-ray TWTS sources in large interaction angle setups. An example of such an enhanced Thomson source by TWTS, which provides orders of magnitude higher spectral photon density than a comparable head-on interaction geometry, is presented, too. / Inkohärente und kohärente Lichtquellen werden in allen Feldern der physikalischen Forschung intensiv eingesetzt. Im Besonderen ermöglichen hoch-brilliante Röntgenquellen, wie Synchrotrone der dritten Generation und Freie-Elektronen Laser, einzigartige Experimentiertechniken wodurch diese zu unverzichtbaren Werkzeugen wurden. Sie sind allerdings auch im Umfang zu Großforschungseinrichtungen herangewachsen. Um den hohen Bedarf an hoch-brillianten Lichtquellen zu decken, besteht daher die Notwendigkeit neuartige und kompakte Quellen zu entwickeln welche auf dem Maßstab eines Labors realisierbar sind. Diese Dissertation widmet sich der Traveling-Wave Thomsonstreuung (TWTS) welche die Realisierung ultra-kompakter, intrinsisch synchronisierbarer und hoch-brillianter Röntgenquellen ermöglicht. TWTS ist eine Methode der Streuung von Laserpulsen an relativistischen Elektronen. Dabei durchquert ein Elektronenpuls mit nahezu Lichtgeschwindigkeit einen Laserpuls. Während der Durchquerung beginnen die Elektronen im Feld des Laserpulses zu oszillieren wobei sie Strahlung emittieren. Die ausgesandte Strahlung besitzt eine deutlich kürzere Wellenlänge als das Laserfeld aufgrund der hohen Elektronengeschwindigkeit und der damit verbundenen großen Dopplerverschiebung. Das besondere an TWTS ist, dass Elektronen- und Laserpropagationsrichtung einen Winkel einschließen sowie pulsfrontverkippte Hochleistungslaserpulse eingesetzt werden. Dadurch können um Größenordnungen längere Interaktionsdistanzen als in herkömmlichen frontalen Thomsonstreuungsanordnungen erreicht werden. TWTS ermöglicht dadurch die Realisierung optischer Freie-Elektronen Laser (OFEL) und inkohärenter Strahlungsquellen mit einer um Größenordnungen erhöhten Photonenausbeute gegenüber Thomsonstreuungsquellen in frontalen Interaktionsanordungen. Werden modernste Elektronenbeschleuniger und Lasersysteme genutzt, dann ist der Betrieb optischer Freie-Elektronen Laser bereits heute mit TWTS möglich. Das wird in der Dissertation am Beispiel eines Vakuumultraviolettstrahlung emittierenden TWTS OFEL gezeigt. Dessen Anforderungen an die Qualität der Elektronen- und Laserpulse werden im Detail in der Arbeit besprochen sowie weitere Beispiele weicher und harter Röntgenstrahlung emittierender TWTS OFEL präsentiert. Diese Anforderungen werden anhand von Skalierungsvorschriften ermittelt welche aus einer selbstkonsistenten, 1.5 dimensionalen Theorie zur Wechselwirkung zwischen Elektronen und Laserfeld in TWTS abgeleitet sind. Sowohl die Theorie zur Wechselwirkung als auch die Ableitung der Skalierungsvorschriften sind Teile dieser Dissertation. Eine wichtige Erkenntnis der Theorie ist die qualitative Äquivalenz von Elektronen- und Strahlungsfeldbewegungsgleichungen in TWTS zu denen herkömmlicher Freie-Elektronen Laser. Das beweist analytisch die Möglichkeit zur Realisierung eines OFEL mit TWTS. Einen weiteren wichtigen Teil dieser Dissertation bildet die Arbeit zur Generierung der Laserpulse mit verkippter Pulsfront. Optische Aufbauten zur Verkippung der Laserpulsfront werden vorgestellt und für einige der präsentierten TWTS OFEL ausführlich dargelegt. Die Aufbauten verkippen nicht nur die Laserpulsfront sondern gewähren gleichzeitig Kontrolle über die Laserpulsdispersionen. Dadurch kann während der gesamten Interaktionen eine ausreichend hohe Qualität des Laserfeldes sichergestellt werden, was für TWTS OFEL und inkohärente TWTS Lichtquellen mit großem Interaktionswinkel unbedingt notwendig ist. Ein Beispiel einer inkohärenten TWTS Lichtquelle wird ebenfalls präsentiert. Diese emittiert Strahlung mit einer um Größenordnungen höheren spektrale Photonendichte als eine herkömmliche Thomsonquelle in einer frontalen Streuanordnung mit vergleichbaren Laser- und Elektronenpulsen.

In February 1877, publisher Sampson Low, Marston, Searle and Rivington began release of a monthly serial called Street Life in London, by journalist Adolphe Smith and photographer John Thomson. The work aimed to reveal to readers, through novel use of photographic illustrations combined with essays, the conditions of a life of poverty in London. Appearing also as a book in late 1877, Street Life in London did not achieve commercial success in either format and was cancelled after just one year's run. This dissertation aims to demonstrate how Street Life in London was subject to and shaped by a variety of interests and forces, to understand why it failed, and to place it within the overarching contexts of Victorian social exploration and street typology. Historians of photography have justifiably praised Street Life in London as a foundational work of socially-conscious photography, John Thomson's images breaking--sometimes radically--with prior models for depiction of the poor. But they have tended to regard it primarily as a book rather than a serial, and primarily as a book of photographs, not a publication in which text and image work in concert. This dissertation examines the vital contributions of both Adolphe Smith and John Thomson, combining close reading of images, text and sequencing throughout the serial publication to treat the work as a photo-text. It reinscribes the work within the contexts of both authors' overall careers, relates it to prior pictorial and literary models for representation of poverty, and demonstrates the roles of other players such as the publisher and critics in shaping the publication. Ultimately this study places Street Life in London within a matrix of Victorian discourses on poverty, photography, and typology, among others, demonstrating that it was contingent, conflicted, and ultimately incomplete: a flawed but fascinating commentary on the complex and multifarious Victorian era from which it emerged.

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