Cette thèse s'inscrit dans la perspective d'augmentation de la sensibilité de scanners de tomographie d'émission par positrons (TEP) en baissant le seuil d'énergie pour intégrer les événements de faible énergie dans l'image TEP.Cette baisse du seuil nécessite une évaluation correcte des interactions multiples particulièrement dues à la diffusion Compton inter-cristal, afin d'assurer un comptage précis des coïncidences fortuites et vraies, et conséquemment une quantification exacte de la distribution de l'activité dans l'objet. Afin d'atteindre cet objectif, et vu la complexité des phénomènes de la diffusion Compton et des coïncidences fortuites, les développements ainsi que la validation de ce travail de recherche ont été assistés par le simulateur évolué GATE"Geant4 application for tomographic emission". D'abord un modèle de simulation GATE pour le scanner LabPET a été développé et validé théoriquement et expérimentalement. Ce modèle a ensuite servi à l'étude du mécanisme de la diffusion Compton inter-cristal et des coïncidences fortuites, notamment en lien avec la fixation du seuil d'énergie. Finalement, une technique d'estimation des fortuits tenant compte des interactions multiples a été développée et validée dans différentes conditions d'imagerie et pour différents seuils d'énergie, en utilisant principalement le modèle GATE du LabPET et aussi d'autres géométries de scanners. À l'opposé des méthodes revues dans la littérature, cette technique assure une faible erreur d'estimation des coïncidences fortuites (< 2%) même à très bas seuils d'énergie en présence de la diffusion Compton inter-cristal ou à très hautes activités, et permet d'atteindre une haute sensibilité de scanner.Cette thèse a fait l'objet de différentes communications scientifiques dans des conférences et journaux internationaux.

Cette thèse porte sur la conception et la réalisation du système optique d'une nouvelle source de rayonnement gamma, ELI-NP-GBS (Extreme Light Infrastructure - Nuclear Physics - Gamma Beam Source), qui utilise des développements récents des technologies des lasers, de l'optique et des accélérateurs. Les caractéristiques finales que devra atteindre cette source sont au moins d'un ordre de grandeur, en intensité, supérieur à la meilleure machine Compton actuelle, HIGS. Un nouveau type de système optique a été conçu pour ELI-NP-GBS. Il s'agit d'un système à 32 passages composé de deux miroirs paraboliques confocaux et d'un ensemble de paires de miroirs. Les miroirs paraboliques permettent la focalisation et la collimation successives d'un faisceau laser de haute intensité (400 mJ par impulsion). La géométrie "dragon-shape" garantie que le croisement du faisceau laser avec le faisceau d'électron se produise avec un angle constant en un point unique. De telles performances sont assurées par un alignement des éléments optiques à mieux que quelques micromètres en position et quelques microradians en orientation et une synchronisation de tous les passages avec les paquets d'électrons à mieux que quelques centaines de femtosecondes. Cet alignement et cette synchronisation est obtenue par l'intermédiaire de procédures et d'algorithmes spécialement développés pour ce système. Les algorithmes ont ainsi été développés et testés sur des simulations numériques dédiées prenant en compte les aspects mécaniques et optiques du système tel que les pré-alignements mécaniques, les états de surfaces des miroirs, la polarisation du faisceau laser, etc. Une première preuve de principe de la méthode de synchronisation a été concluante. / This thesis is about the design and the realization of the optical system of a new gamma-ray source, ELI-NP-GBS (Extreme Light Infrastructure - Nuclear Physics - Gamma Beam Source), which benefits from the recent developments in laser technology, optics and accelerators. The final characteristics that this source aims to reach is one order of magnitude higher in intensity than the actual best Compton machine, HIGS. A new type of optical system has been designed for ELI-NP-GBS. It is a 32 passes system made of two confocal parabolic mirrors and a set of Mirror-Pair Systems. The parabolic reflectors focalize and collimate successively a high intensity laser beam (400 mJ per pulse). The ``dragon-shape'' geometry ensures that the laser beam and electron bunches cross at a constant angle in a unique point. These performances are guaranteed by a few micrometers precision in position alignment, a few microradians precision in orientation alignment and by a few hundreds femtoseconds synchronization between electron bunches and laser pulses for each pass. This alignment and this synchronization is performed by used of dedicated procedures and algorithms. These algorithms have been developed and tested with numerical simulations which take into account the mechanical and optical aspects of the system such as the mechanical pre-alignment, the mirrors' surface deformations, the laser beam polarization, etc. A first proof of principle of the synchronization method has been successful.

La première partie présente la mesure des polarisabilités généralisées (GPs) électrique αε(Q²) et magnétique βM(Q²) du proton qui sont fonctions du quadri-moment de transfert Q². L'expérience a été réalisée dans le Hall A1 à MAMI (Mayence) avec un faisceau d'énergie de l'ordre de 1 GeV, à Q²=0.45 GeV² (qcm=714 MeV/c et ε=0.63). Le modèle DR (Relations de Dispersion) a été utilisé pour extraire les GPs, αε(Q²) et βM(Q²), ainsi que deux combinaisons linéaires P¿ (Q²) – 1/ε PTT (Q²) et P¿ (Q²). Ces dernières ont été extraites, pour les mêmes données, en utilisant l'approche de basse énergie (LEX) sous le seuil de production du pion. Nos résultats préliminaires montrent un bon accord entre les deux méthodes et offrent une nouvelle contrainte sur la structure du proton à basse énergie. La deuxième partie est dédiée à la mesure de la section efficace totale du processus de diffusion Compton profondément virtuelle (DVCS) sur le neutron à Q²=1.75 GeV² et xB=0.36. Le processus DVCS permet d'extraire des fonctions universelles "distributions généralisées de partons (GPDs)" permettant de comprendre la structure interne du nucléon en terme de partons. Le DVCS sur le neutron est sensible à la GPD E qui est la moins contrainte à ce jour et dont la connaissance est indispensable pour remonter au moment orbital des quarks. Les données analysées proviennent de l'expérience E08-025 effectuée dans le Hall A de JLab (USA) avec un faisceau d'électrons polarisés d'énergie de l'ordre de 6 GeV et deux cibles d'hydrogène et de deutérium. Nos résultats préliminaires montrent, pour la première fois, une contribution (neutron-DVCS + deuton cohérent-DVCS) non nulle et sont très prometteuses en vue d'une extraction de la GPD "E". / The first part presents the measurement of the generalized αε(Q²) electric and magnetic βM(Q²) polarisabilities (GPs) of the proton which depend on the four-momentum transfer  Q². The experiment was performed in Hall A1 at MAMI (Mainz) with a 1 GeV beam energy at Q² =0.45 GeV² (qcm=714 MeV/c and ε=0.63). The dispersion relations model was used to extract the GPs, αε(Q²) and βM(Q²),  and two linear combinations P¿ (Q²) – 1/ε PTT (Q²) and P¿ (Q²). These last ones were extracted, for the same data, using the low-energy approach (LEX) under the pion production threshold. Our preliminary results show a good agreement between both methods and provide a new constraint on the proton structure at low-energy. The second part is dedicated to the measurement of the total cross section of deeply virtual Compton scattering (DVCS) on the neutron at Q²=1.75 GeV² and xB=0.36. The DVCS process allows to extract the universal functions "generalized parton distributions (GPDs)" which provide  a new understanding the nucleon in terms of partons. The DVCS on the neutron is sensitive to E, the less constrained GPD, which allows  to access the orbital momentum of the quarks. The analyzed data were taken in the E08-025 experiment performed in Hall A at JLab (USA) with a polarized electron beam with energy around 6 GeV and two hydrogen and deuterium targets.  Our preliminary results show, for the first time, a  nonzero (neutron-DVCS + coherent-deuteron-DVCS) contribution and are very promising for the extraction of the GPD "E".

La diffusion Compton est un moyen de produire des rayons X en réalisant des collisions entre un faisceau d'électrons relativistes et un faisceau laser. Par analogie avec le rayonnement synchrotron, le faisceau laser joue le rôle d'onduleur, ce qui entraîne les électrons dans un mouvement d'oscillation. Le rayonnement émis par les électrons en mouvement, dont certaines caractéristiques sont proches de celle du rayonnement synchrotron, peut être produit sur des machines relativement compactes. L'installation ELSA du CEA DAM DIF dispose d'un accélérateur d'électrons (17 MeV) et d'un laser (532 nm) dont les caractéristiques sont favorables à la réalisation d'une expérience de production de rayonnement X par diffusion Compton. La faible probabilité d'interaction et les petites dimensions des faisceaux (< 100 µm, 30 ps (LTMH)) obligent à optimiser avec soin le recouvrement spatial et temporel des impulsions. La visualisation des deux faisceaux en simultanée se fait grâce à un biseau en aluminium renvoyant les images des deux faisceaux vers les caméras CCD et à balayage de fente. La détection du rayonnement X produit (d'énergie < 11 keV) est réalisée par des écrans radio-luminescents à mémoire. Ces écrans, très sensibles au rayonnement de basse énergie, permettent de visualiser le profil du rayonnement et de réaliser la radiométrie du signal. Ces écrans ont également été utilisés en tant que scintillateurs couplés à un photomultiplicateur pour contrôler en temps réel le rendement de l'interaction. L'analyse des résultats expérimentaux obtenus confirme les résultats des simulations.

Nous avons développé une simulation de Monte Carlo rapide pour la tomographie à émission de positons (TEP) fondée sur le code SimSET modélisant la propagation des photons gammas dans le patient et le scanner basé sur un design en blocs. La validation de ce simulateur avec un code bien validé, GATE, et des données acquises sur un scanner TEP GE Discovery STE a montré qu'il modélise précisément les spectres en énergie (erreur inférieure à 4,6%), la résolution spatiale (6,1%), la fraction de diffusé (3,5%), la sensibilité aux coïncidences primaires (2,3%) et les taux de comptage (12,7%). Nous avons ensuite développé une correction de la diffusion incorporant l'énergie des photons détectés en mode liste en plus de la distribution spatiale des coïncidences diffusées. Notre approche est basée sur une reformulation de la fonction de vraisemblance contenant l'information en énergie donnant lieu à un algorithme de reconstruction EM contenant des termes de correction de la diffusion spatiaux et énergétiques. Nous avons aussi proposé une nouvelle méthode de normalisation du sinogramme diffusé utilisant l'information en énergie. Enfin, nous avons développé une méthode d'estimation des spectres primaires et diffusés détectés dans différents secteurs du scanner TEP. Nous avons évalué notre méthode spatio-spectrale de correction de la diffusion ainsi que la méthode spatiale traditionnelle dans des simulations de Monte Carlo réalistes. Ces résultats montrent que notre approche réduit les biais de quantification de 60% dans les régions froides dans les patients obèses, donnant lieu à des erreurs de quantification inférieures à 13% même dans les patients les plus larges en mode 3D (comparé à une erreur de 65% avec la méthode conventionnelle).

La diffusion Compton virtuelle (DVCS) est un processus idéal pour étudier la structure interne du proton. Cette réaction exclusive permet d’accéder aux distributions de partons généralisées (GPDs) qui encodent les corrélations entre impulsion longitudinale et position transverse des partons à l’intérieur du proton. Le DVCS consiste à sonder le proton au moyen d’un photon virtuel de grande virtualité pour produire dans l’état final un unique photon réel de grande énergie tout en laissant le proton intact.A COMPASS au CERN, où deux années de données ont été collectées en 2016 et 2017 afin de mesurer la section efficace du processus DVCS, le photon virtuel est issu de la diffusion d’un faisceau de μ⁺ ou de μ⁻ polarisé de 160 GeV sur une cible d’hydrogène liquide. Toutes les particules de la réaction sont détectées dans l’expérience : le muon incident est détecté dans le télescope du faisceau, le muon diffracté et le photon réel sont détectés à l’avant dans le spectromètre et les trois calorimètres tandis que le proton de recul est détecté dans un détecteur de temps de vol placé autour de la cible.Je présente dans cette thèse l’état de l’analyse du processus DVCS sur les données collectées à COMPASS en 2016. Après un rappel du contexte théorique et expérimental, je décris l’expérience COMPASS. Je détaille ensuite mon travail de calibration du détecteur de proton de recul et de détermination de la position exacte de la cible de 2 cm de diamètre et 2.5 m de longueur. J’étudie dans la partie suivante la sélection de différents canaux de physique permettant de contrôler de manière systématique la qualité des détecteurs : la diffusion profondément inélastique (DIS) qui implique le télescope du faisceau et le spectromètre, la production exclusive de ρ⁰ qui inclut aussi le détecteur de temps de vol ; puis je présente la première analyse de la production exclusive de photons uniques qui implique en plus les trois calorimètres. Dans une dernière partie j’évoque les étapes nécessaires à la détermination de la section efficace du DVCS à partir de cette sélection, et je présente les premiers résultats issus de la simulation associée. / Virtual Compton Scattering (DVCS) is an ideal process to study the internal structure of proton. This exclusive reaction provides access to generalised parton distributions (GPDs), which encode the correlations between longitudinal momentum and transverse position of partons inside the proton. DVCS consists in probing a proton with a virtual photon of high virtuality, in order to produce a single high energy real photon while leaving the proton intact in the final state.At COMPASS at CERN, where two years of data were collected in 2016 and 2017 to measure the DVCS cross section, the virtual photon is produced by scattering of a 160 GeV polarised μ⁺ or μ⁻ beam on a liquid hydrogen target. All particles are detected in the experiment: the incident muon is detected in the beam telescope, the diffracted muon and the real photon are detected in the forward spectrometer and the three calorimeters, while the recoil proton is detected in a time-of-flight detector positioned around the target.In this thesis I present the state of the analysis of the DVCS process on the data collected at COMPASS in 2016. After a reminder of the theoretical and experimental context, I describe the COMPASS experiment. I then detail my work on calibrating the recoil proton detector and determining the the exact position of the 2 cm diameter and 2.5 m long target. In the next section, I study the selection of different physics channels used to systematically control detector quality: Deep Inelastic Scattering (DIS) which involves the beam-telescope and spectrometer, exclusive ρ⁰ production which requires the addition of the time-of-flight detector and I follow with the first analysis of the exclusive single photon production which depends as well on the calorimetres quality. In a last part, I discuss the necessary steps needed to extract the DVCS cross-section out of this event selection, and present the first results associated to the Monte-Carlo simulation.

La caractérisation tridimensionnelle de matériaux anciens plats est restée une activité non évidente à accomplir par des méthodes classiques de tomographie à rayons X en raison de leur morphologie anisotrope et de leur géométrie aplatie.Pour surmonter les limites de ces méthodologies, une modalité d'imagerie basée sur le rayonnement diffusé Compton est étudiée dans ce travail. La tomographie classique aux rayons X traite les données de diffusion Compton comme du bruit ajouté au processus de formation d'image, tandis que dans la tomographie du rayonnement diffusé, les conditions sont définies de sorte que la diffusion inélastique devienne le phénomène dominant dans la formation d'image. Dans ces conditions, les rotations relatives entre l'échantillon et la configuration d'imagerie ne sont plus nécessaires. Mathématiquement, ce problème est résolu par la transformée de Radon conique. Le problème direct où la sortie du système est l'image spectrale obtenue à partir d'un objet d'entrée est modélisé. Dans le problème inverse une estimation de la distribution tridimensionnelle de la densité électronique de l'objet d'entrée à partir de l'image spectrale est proposée. La faisabilité de cette méthodologie est supportée par des simulations numériques. / Three-dimensional characterization of flat ancient material objects has remained a challenging activity to accomplish by conventional X-ray tomography methods due to their anisotropic morphology and flattened geometry.To overcome the limitations of such methodologies, an imaging modality based on Compton scattering is studied in this work. Classical X-ray tomography treats Compton scattering data as noise in the image formation process, while in Compton scattering tomography the conditions are set such that Compton data become the principal image contrasting agent. Under these conditions, we are able to avoid relative rotations between the sample and the imaging setup. Mathematically this problem is addressed by means of the conical Radon transform. A model of the direct problem is presented where the output of the system is the spectral image obtained from an input object. The inverse problem is addressed to estimate the 3D distribution of the electronic density of the input object from the spectral image. The feasibility of this methodology is supported by numerical simulations.

Au cours des prochaines années les expériences au grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN vont explorer méticuleusement les lois fondamentales de la physique des hautes énergies à une énergie qui n'a jamais été atteinte auparavant. Afin de compléter les recherches du LHC, plusieurs projets de Collisionneur Linéaire (CL) de lepton de prochaine génération utilisant des collisions e+ – e- ont été proposé pour permettre des études de haute précision. Dans ce cadre il existe deux grands projets: le collisionneur linéaire international (ILC) pour explorer une plage d'énergie dans le centre de masse de s = 0.5 – 1 TeV et le collisionneur linéaire compact (CLIC) qui devrait fonctionner à s = 0.5 – 3 TeV. Le programme de physique du futur CL profitera grandement de collisions où les deux faisceaux seront polarisés. Cette thèse présente la source de positrons polarisés qui est un élément clef du future CL. Dans ce contexte, les différents concepts de source de positrons polarisés sont présentés en mettant en avant les principaux défis technologiques. Plus spécifiquement, le centre d'intérêt principal est sur la source de positrons Compton adoptée par CLIC comme option préférée pour l'amélioration de la future source de positrons. Dans cette source, les rayons gamma de haute énergie produits par diffusion Compton sont envoyés sur une cible où les interactions électromagnétiques produisent des positrons dans des e+ – e- . Pour améliorer l'efficacité de l'étape de production de rayons gamma, une ligne de multiples points de collisions est proposée intégrée à un linac à récupération d'énergie. Les simulations de la production de positrons, de leur capture et de leur accélération initiale permettent d'estimer l'efficacité de production de positrons et de fournir une paramétrisation simple de la source de positrons polarisés basée sur l'interaction Compton dans la perspective des besoins futurs du CL. L'option d'une source Compton basée sur un anneau de stockage appelé anneau Compton est aussi décrite. La principale contrainte de ce concept provient de la dynamique faisceaux à cause de la grande dispersion en énergie et l'augmentation de la longueur du paquet ce qui affecte le taux de production des rayons gamma. Une contribution théorique originale est présentée pour calculer la dispersion en énergie induite par la diffusion Compton. De plus, une expérience pour tester la production de rayons gamma par diffusion Compton en utilisant un système laser au fait de la technologie et développé au LAL est en cours dans le cadre du projet "MightyLaser" à l'ATF, KEK. La configuration expérimentale ainsi que les résultats principaux obtenus sont discutés en détails. Les recherches décrites dans cette thèse montrent que la source de positrons polarisés basée sur la diffusion Compton est un candidat prometteur pour la source de positrons polarisés du futur CL. Pour atteindre les performances requises des travaux supplémentaires et de la R&D sont nécessaires dans le domaine des lasers de puissance, des cavités optiques et des accélérateurs d'électrons à fort courant tels que les linacs à récupération d'énergie. / During the next few years experiments at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN will continue to explore carefully fundamental high energy physics principles at a an energy domain which has never been reached before. Possible designs for the next-generation lepton Linear Collider (LC) based on e+–e- collisions have already been proposed to perform high precision studies complementary to the LHC. In this framework, there are two large projects: the International Linear Collider (ILC) exploring a centre-of-mass energy range of de s = 0.5 – 1 TeV and the Compact Linear Collider (CLIC) expected to operate at s = 0.5 – 3 TeV. The physics programme of the future LC will benefit strongly of colliding both polarised electron and positron beams. This thesis introduces the polarized positron source as one of the key element of the future LC. In this context, the different schemes of the polarized positron source are described highlighting the main issues in this technology. In particular, the main focus is on the Compton based positron source adopted by the CLIC as a preferred option for the future positron source upgrade. In this case, the circularly polarized high energy gamma rays resulting from Compton scattering are directed to a production target where an electromagnetic cascade gives rise to the production of positrons by e+–e- pair conversion. To increase the efficiency of the gamma ray production stage, a multiple collision point line integrated in energy recovery linac is proposed. The simulations of the positron production, capture and primary acceleration allow to estimate the positron production efficiency and provide a simple parametrization of the Compton based polarized positron source in the view of the future LC requirements. The storage ring based Compton source option, so-called Compton ring, is also described. The main constraint of this scheme is given by the beam dynamics resulting in the large energy spread and increased bunch length affecting the gamma ray production rate. An original theoretical contribution is shown to calculate the energy spread induced by Compton scattering. Moreover, an experiment to test the gamma ray production by Compton scattering using a state-of-art laser system developed at LAL has been conducted in the framework of the "MightyLaser" project at the ATF, KEK. The experimental layout as well as the main results obtained are discussed in details. The studies carried out in this thesis show that the polarized positron source based on Compton scattering is a promising candidate for the future LC polarized positron source. To attain the required performance, further developments and R&D in field of the high power laser systems, optical cavities and high current electron accelerators such as the energy recovery linacs should be pursued in the future.

RésuméLa diffraction et la diffusion de rayons X sont utilisées dans de nombreux domaines de la physique, de la médecine et de la technologie. Des faisceaux de haute brillance sont néanmoins requis pour améliorer les performances de ces techniques. L’utilisation de la diffusion Compton d’un laser sur un faisceau d’électrons présente un grand intérêt pour la production de rayons X. Ce processus permet l’emploi d’un anneau de stockage d’électrons compacts et d’un résonateur optique pour accroître la puissance laser. Avec un tel système, un taux de collision laser-électron supérieur au méga Hertz est envisageable permettant d’atteindre un flux de rayons X de l’ordre de 10¹³ photons/s. Dans le premier chapitre, je décris les motivations pour le développement d’une source de rayons X basée sur la diffusion Compton et utilisant un résonateur optique. Je détermine aussi les performances que l’on peut attendre de ce type de sources ainsi que l’état de l’art actuel dans ce domaine. Dans le deuxième chapitre, je décris le comportement et les propriétés des résonateurs optiques en régime impulsionnel. J’introduis la notion de phase CEP (‘carrier envelope phase’) et je montre la nécessité de contrôler à la fois la fréquence de répétition de l’oscillateur laser et cette phase CEP. Le chapitre 3 est consacré aux oscillateurs fibrés à blocage de mode. Je montre les performances du laser que j’ai construit en utilisant le phénomène de rotation de polarisation non-linéaire.La méthode d’asservissement laser-résonateur optique ‘tilt locking’ est introduite au chapitre 4. Je décris tout d’abord les études de simulations et le montage expérimental qui ont permis de tester la méthode en régime impulsionnel. Je donne ensuite les résultats expérimentaux qui démontrent la faisabilité de la méthode ‘tilt locking’ en régime impulsionnel. J’effectue aussi une comparaison expérimentale des performances de la méthode ‘tilt locking’ avec la méthode classique ‘Pound-Drever-Hall’. Je termine le chapitre en indiquant une difficulté expérimentale de la méthode pour générer plusieurs signaux d’erreurs.Je décris la conception du système optique de la machine Compton TTX de l’université Tsinghua dans le chapitre 5. Les performances attendues pour cette machine sont des flux de rayons X compris entre 10¹º et 10¹³ photons/s. / X-ray diffraction and scattering, X-ray spectroscopy, and X-ray crystallography are widely used in the life sciences, material science, and medical diagnosis. High-quality and high-brightness X-rays are a strong requirement to improve applications. Inverse Compton scattering (ICS) X-ray source has attracted great interests worldwide lately. To significantly enhance the average X-ray photon flux, a compact electron storage-ring combined with a high finesse optical enhancement cavity (OEC) can be utilized. In such a system, the collision rate between the electron beam and the laser pulse is greatly increased to the MHz range, enabling a photon flux up to 10¹³ph/s.In the first chapter, I describe the motivation behind the development of OEC based on ICS X-ray source. The characteristics of this kind of X-ray source are summarized, compared to those of the conventional low-repetition-rate Terawatt laser system based on ICS X-ray source. The latest progress and research status of OEC based on ICS X-ray source are presented. Pulsed-laser injected high-finesse OEC stacking theory and properties are discussed in Chapter 2. Not only does the OEC based on ICS X-ray source require the laser pulse repetition rate to be matched to the free spectral range (FSR) of the cavity, where both also have to match the electron storage-ring circulation frequency. In addition, we have to match the phase shift of the laser repetition rate to the phase offset introduced by the dispersion of the cavity mirrors, since our cavity finesse design value is quite high. The stacking theory is analyzed in the frequency domain. Cavity properties, including cavity mirror dispersion, finesse, and FSR, are discussed in detail. A laser frequency comb and OEC coupling is analyzed also. The laser source development is presented in Chapter 3. We constructed a mode-locked fiber laser based on nonlinear polarization rotation. The locking model, locking techniques, and the theory, simulations and experimental tests of tilt locking (TL) in the pulsed laser injected high-finesse OEC are discussed in Chapter 4. We succeeded in locking a pulsed laser to a high-finesse cavity with the TL technique. The experimental results show that the TL and the Pound–Drever–Hall techniques have the same performance: stable locking, high sensitivity, and the same power coupling rate for picosecond laser pulse case, while the test results for full spectrum TL locking show that it is uneasy to align the split-photodiode to the beam waist.Based on the above experimental study and tests, we design the OEC system for Tsinghua University X-ray project in Chapter 5. The expected X-ray flux is 10¹º to 10¹³ ph/s. We detail every subsystem requirement.

La diffusion Compton est un moyen de produire des rayons X en réalisant des collisions entre un faisceau d'électrons relativistes et un faisceau laser. Par analogie avec le rayonnement synchrotron, le faisceau laser joue le rôle d'onduleur, ce qui entraîne les électrons dans un mouvement d'oscillation. Le rayonnement émis par les électrons en mouvement, dont certaines caractéristiques sont proches de celle du rayonnement synchrotron, peut être produit sur des machines relativement compactes. L'installation ELSA du CEA DAM DIF dispose d'un accélérateur d'électrons (17 MeV) et d'un laser (532 nm) dont les caractéristiques sont favorables à la réalisation d'une expérience de production de rayonnement X par diffusion Compton. La faible probabilité d'interaction et les petites dimensions des faisceaux (< 100 µm, 30 ps (LTMH)) obligent à optimiser avec soin le recouvrement spatial et temporel des impulsions. La visualisation des deux faisceaux en simultanée se fait grâce à un biseau en aluminium renvoyant les images des deux faisceaux vers les caméras CCD et à balayage de fente. La détection du rayonnement X produit (d'énergie < 11 keV) est réalisée par des écrans radio-luminescents à mémoire. Ces écrans, très sensibles au rayonnement de basse énergie, permettent de visualiser le profil du rayonnement et de réaliser la radiométrie du signal. Ces écrans ont également été utilisés en tant que scintillateurs couplés à un photomultiplicateur pour contrôler en temps réel le rendement de l'interaction. L'analyse des résultats expérimentaux obtenus confirme les résultats des simulations. / Compton scattering by collisions between relativistic electron beam and laser beam is a way to produce X-rays. Laser beam is seen as an undulator which gives electrons a periodic waved motion. This radiation emitted by electrons motion has some characteristics close to those of synchrotron radiation but can be produced by smaller machines. ELSA facility at CEA DAM DIF is a linear electron accelerator (17 MeV) running with a photoinjector and a laser (532 nm). Characteristics of electrons and laser beam are favourable to a Compton scattering X-rays experiment. Small interaction probability and small beam sizes (< 100 µm, 30 ps (LTMH)) require a careful optimization of spatial and temporal pulses covering. An aluminium bevel-edge allows visualizing beams with CCD and streak cameras. Imaging plates are used as < 11 keV X-rays detectors. These detectors are very sensitive to low signal-to-noise ratio at low energy and give the beam profile. The imaging plates were coupled with a photomultiplier to manage the yield in real time. Experimental results are confirmed by simulations.