No description available.

Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2012. / ENGLISH ABSTRACT: Ultrafast electron diffraction is a powerful method to study atomic movement in crystals on sub-picosecond timescales. This thesis consists of three parts. In part one the ultrafast electron diffraction machine is described, followed by improvements that were made and techniques that were developed in order to bring the system to state of the art level and enable the acquisition of suffcient data to obtain information on the structural dynamics in crystals. The second part contains a description of the sample which was studied in our fi rst time-resolved measurements, the transition-metal dichalcogenide 4Hb-TaSe2. This particular crystal is an example of a strongly coupled electronic system which develops a charge density wave (CDW) accompanied by a periodic lattice distortion (PLD). An overview of the formation of electron diffraction patterns and what can be learned from them are also given, followed by the results of the ultrafast electron diffraction experiments done with 4Hb-TaSe2. Part three describes an alternative source to study dynamics in crystalline samples, namely laser plasma-based ultrafast X-ray diffraction. The ultrafast electron diffraction group functions as a unit, but my tasks ranged from sample preparation and characterisation of the electron beam to the setting up and execution of experiments. I was involved in analysing the data and contributed small parts to the data analysis software. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Ultravinnige elektron diffraksie is a metode om die beweging van atome in kristalle op sub-pikosekonde tydskale te bestudeer. Hierdie tesis bestaan uit drie dele. In deel een van die tesis word die ultravinnige elektron diffraksie masjien beskryf, gevolg deur verbeteringe wat aangebring is en tegnieke wat ontwikkel is om die sisteem tot op 'n wêreldklas vlak te bring waar die insameling van genoegsame data om inligting oor die strukturele dinamika in kristalle te bekom, moontlik is. Die tweede deel bevat 'n beskrywing van die monster wat in ons eerste tydopgeloste eksperimente gebruik is, naamlik die oorgangsmetaaldichalkogenied 4Hb-TaSe2. Hierdie kristal is 'n voorbeeld van 'n sterk gekoppelde elektroniese sisteem wat 'n ladingsdigtheid-golf en 'n gepaardgaande periodiese versteuring van die kristalrooster ontwikkel. 'n Oorsig van die formasie van elektron diffraksiepatrone en wat ons daaruit kan leer word ook gegee. Daarna word die resultate van die ultravinnige elektron diffraksie eksperimente wat op 4Hb-TaSe2uitgevoer is beskryf en bespreek. In deel drie word 'n alternatiewe metode om die dinamika in kristalmonsters te bestudeer, naamlik laser plasma-gebaseerde ultravinnige X-straal diffraksie, beskryf. Die ultravinnige elektron diffraksie groep funksioneer as 'n eenheid, maar my verantwoordelikhede het gestrek van die voorbereiding van monsters en die karakterisering van die elektron bundel tot die opstel en uitvoer van eksperimente. Ek was ook betrokke by die analisering van data en het dele van die data analise sagteware geskryf.

Since Wilhelm C. Röntgen discovered the x-rays in 1895 little has been done to improve the x-ray technology. In 2003 a group of scientists at KTH Royal Institute of Technology suggested a new type of x-ray source, namely a liquid metal jet x-ray source. The solid anode in the original source was changed to a liquid metal jet anode. This concept was commercialized by Excillum AB as the MetalJet in 2007. It is important that the x-ray beam is stable to obtain clear x-ray pictures demanding that the metal jet is non-fluctuating. The nozzle and the pump are the two parts in the system affects the metal jet the most. Today a diaphragm pump is used which give rise to a pulsating flow in the liquid. This report will investigate what different pump types exist and what pump types are suitable to pump a liquid metal for this application. A smaller investigation will take place to see if there is an off-the-shelf pump which can be put in the system directly. From the weighted evaluation of pump types it was found that all but one type of electromagnetic pumps, thermoelectric pumps and canned motor pumps are the most suitable pump types to be used in this application. From the smaller investigation into off-the-shelf pump it was concluded that some customization of the considered pump is necessary before the pump can be integrated into the system directly. Mostly, the customization regards material choice. / Lite har gjorts för att utveckla röntgenkällor sedan Wilhelm C. Röntgen upptäckte röntgenstrålning 1895. År 2003 föreslog en grupp med forskare på KTH en ny typ av röntgenkälla, nämligen en flytande metall röntgenkälla. Den solida anoden som vanligen används i röntgenkällor är utbytt mot en jetstråle av flytande metall istället. Detta koncept kommersialiserades av Excillum AB 2007. För att kunna ta tydliga röntgenbilder är det nödvändigt att röntgenstrålen är stabil vilket betyder att jetstrålen inte kan fluktuera. Två delar i systemet påverkar jetten mer än andra och de är munstycket och pumpen. I dagsläget används en membranpump som ger upphov till ett pulserade flöde i metallen. Den här rapporten undersöker vad det finns för olika pumptyper och vilka pumptyper som är mest lämpade för en denna applikation. En mindre undersökning kommer också göras för att undersöka om det finns en pump som kan plockas direkt från hyllan och integreras i systemet. Utifrån en viktad utvärdering av de funna pumptyperna kunde slutsatsen att alla utom en typ av elektromagnetiska pumpar, termoelektriska pumpar och ”canned motor” pumpar är mest lämpade för den här applikationen. Från den mindre undersökning stod det klart att det inte fanns en pump som kunde plockas från hyllan för att integreras i systemet direkt. Mestadels var det materialvalet som var den begränsande faktorn och måste ändras.

No description available.

This thesis introduce my work on transverse and longitudinal non linear dynamics of an electron beam in ThomX, a novel X-ray source based on Compton backscattering. In this work I implemented in simulation code theoretical models to calculate transverse and longitudinal non linear dynamics under Compton back scattering. The processes studied include collective effect such as longitudinal space charge, resistive wall and coherent synchrotron radiation, intra beam scattering. I also implemented a longitudinal feedback algorithm and studied the effect of the feedback's delay in the simulation to explore its effects on beam dynamics. This code allows to perform a full 6D simulation of the beam dynamics in a ring under Compton back scattering taking into account the feedback stabilisation for the 400 000 turns (~ 20 ms) of one injection cycle. One important feature is that this simulation code can be run on a computer farm. Using this code I investigated the electrons dynamics in ThomX and the flux of scattered Compton photons. I analysed the relative contribution of each physical phenomena to the overall beam dynamics and how to mitigate their disruptive effect. As part of my work on longitudinal phase feedback I also measured and analysed properties of the ELETTRA RF cavity to be used on ThomX.

Une impulsion laser ultra-courte et ultra-intense se propageant dans un gaz de faible densité est capable d'accélérer une partie des électrons de ce gaz à des énergies relativistes, de l'ordre de quelques centaines de MeV, sur des distances de seulement quelques millimètres. Pendant leur accélération et dû à leur mouvement transverse, ces électrons émettent de plus un rayonnement X fortement collimaté et dirigé vers l'avant appelé rayonnement bétatron. Les caractéristiques de cette source la rendent intéressante pour son utilisation en imagerie à ultra-haute résolution.Dans ce manuscrit, nous explorons trois axes de travail autour de cette source à l'aide de simulations réalisées avec les codes Particle-In-Cell CALDER et CALDER-Circ. Nous commençons ainsi par étudier la création d'une source bétatron avec des impulsions laser de durée picoseconde et d'énergie kilojoule, donc plus longues et plus puissantes que celles habituellement utilisées par la communauté. Nous montrons que malgré les paramètres inhabituels de ces impulsions lasers il est toujours possibles de générer des sources X, et ce dans deux régimes différents.Ensuite, afin de comprendre une partie des différences généralement observées entre expériences et simulations, nous montrons dans une autre étude que l'utilisation dans les simulations de profils lasers réalistes au lieu de profils parfaitement Gaussiens dégrade fortement les performances de l'accélérateur laser-plasma et de la source bétatron. De plus, ceci conduit à un meilleur accord qualitatif et quantitatif avec l'expérience.Enfin nous explorons plusieurs techniques pour augmenter l'émission X basées sur une manipulation des profils de plasmas utilisés pour l'accélération. Nous trouvons que l'utilisation d'un gradient transverse ou d'une marche de densité conduisent tous deux à une augmentation de l'amplitude du mouvement transverse des électrons, et donc de l'énergie émise par la source bétatron. Alternativement, nous montrons que cet objectif peut-être atteint par la transition d'un régime de sillage laser vers un régime d'accélération par sillage plasma induit par une augmentation de la densité. L'accélération des électrons est optimisée dans le premier régime, tandis que l'émission X est fortement favorisée dans le second. / An ultra-short and ultra-intense laser pulse propagating in a low-density gas can accelerate in its wake a part of the electrons ionized from the gas to relativistic energies of a few hundreds of MeV over distances of a few millimeters only. During their acceleration, as a consequence of their transverse motion, these electrons emit strongly collimated X-rays in the forward direction, which are called betatron radiations. The characteristics of this source turn it into an interesting tool for high-resolution imagery.In this thesis, we explore three different axis to work on this source using simulations on the Particles-In-Cells codes CALDER and CALDER-Circ. We first study the creation of a betatron X-ray source with kilojoule and picosecond laser pulses, for which duration and energy are then much higher than usual in this domain. In spite of the unusual laser parameters, we show that X-ray sources can still be generated, furthermore in two different regimes.In a second study, the generally observed discrepancies between experiments and simulations are investigated. We show that the use of realistic laser profiles instead of Gaussian ones in the simulations strongly degrades the performances of the laser-plasma accelerator and of the betatron source. Additionally, this leads to a better qualitative and quantitative agreement with the experiment.Finally, with the aim of improving the X-ray emission, we explore several techniques based on the manipulation of the plasma density profile used for acceleration. We find that both the use of a transverse gradient and of a density step increases the amplitude of the electrons transverse motions, and then increases the radiated energy. Alternatively, we show that this goal can also be achieved through the transition from a laser wakefield regime to a plasma wakefield regime induced by an increase of the density. The laser wakefield optimizes the electron acceleration whereas the plasma wakefield favours the X-ray emission.

Ce document présente mon travail sur la dynamique transverse et longitudinale non linéaire d'un faisceau d'électrons dans ThomX, une nouvelle source de rayons X basée sur la rétrodiffusion Compton. Au cours de ce travail j'ai développé un code de simulation contenant les modèles théoriques pour calculer la dynamique non linéaire transverse et longitudinale sous l'influence de rétrodiffusion Compton. Les processus étudiés incluent les effets collectifs tels que la force de charge d'espace longitudinale, les effets de la résistivité des parois, le rayonnement synchrotron cohérent et la diffusion interne au faisceau. J'ai aussi simulé un algorithme de boucle de rétroaction longitudinale et étudié l'effet de la latence de la boucle dans les simulations pour comprendre son effet sur la dynamique du faisceau. Ce code permet d'effectuer une simulation complète en 6 dimensions de la dynamique d'un faisceau dans un anneau sous l'effet de rétrodiffusion Compton en prenant en compte la stabilisation par boucle de rétroaction pour les 400 000 tours (~ 20ms) d'un cycle d'injection. L'une des fonctionnalités importantes de ce code est qu'il peut être exécuté sur une ferme d'ordinateurs. En utilisant ce code j'ai étudié la dynamique des électrons dans ThomX et le flux de photons Compton diffusés. J'ai analysé la contribution relative de chaque phénomène physique à la dynamique globale du faisceau et comment minimiser leurs effets disruptifs. Dans le cadre de mon travail sur la boucle de rétroaction sur la phase longitudinale j'ai aussi mesuré et analysé les propriétés de la cavité RF ELETTRA à utiliser sur ThomX. / This thesis introduce my work on transverse and longitudinal non linear dynamics of an electron beam in ThomX, a novel X-ray source based on Compton backscattering. In this work I implemented in simulation code theoretical models to calculate transverse and longitudinal non linear dynamics under Compton back scattering. The processes studied include collective effect such as longitudinal space charge, resistive wall and coherent synchrotron radiation, intra beam scattering. I also implemented a longitudinal feedback algorithm and studied the effect of the feedback’s delay in the simulation to explore its effects on beam dynamics. This code allows to perform a full 6D simulation of the beam dynamics in a ring under Compton back scattering taking into account the feedback stabilisation for the 400 000 turns (~ 20 ms) of one injection cycle. One important feature is that this simulation code can be run on a computer farm. Using this code I investigated the electrons dynamics in ThomX and the flux of scattered Compton photons. I analysed the relative contribution of each physical phenomena to the overall beam dynamics and how to mitigate their disruptive effect. As part of my work on longitudinal phase feedback I also measured and analysed properties of the ELETTRA RF cavity to be used on ThomX.

Syftet med denna undersökning är att utvärdera en XRFmätuppställning som använder högre spänning påröntgenröret än konventionella XRF-instrument. Iutvärderingen uppskattas Limit Of Detection (LOD) påtungmetaller genom att använda XRF-metoden, där dettestades olika filter, vinklar och rörspänning och derasinverkan på provet.Metaller med hög densitet kallas för tungmetaller. Vissatungmetaller är livsnödiga men vissa är skadliga för bådemänniskor och naturen. Några exempel på dessa tungmetallerär kvicksilver, kadmium och bly, vilka är farliga grundämnensom människor kan få i sig via föda.Vid utförande av denna undersökning användes enröntgenkälla (30-120keV) som var kopplad till mjukvaransom skickade fotonenergi och ström. En spektrometer med CdTe-detektor användes för att mäta energin på fotonerna från provet. Detektorn var kopplad till mjukvara där det uppmätt spektra kunde observeras och energitopparnas intensitet kunde avläsas. Topparnas intensitet kan härledas tillprovets samansättning. Sedan uppskattades LOD förproverna. Den teknik som jag har studerat ger möjlighet till bättre mätresultat än konventionella XRFutrustningar. Detta eftersom högre rörspänning gör att K-linjerna, inte bara L-linjerna, för tungmetaller kan avläsas