Le travail développé dans cette thèse concerne un type particulier de sources de positrons utilisant le rayonnement de canalisation dans un cristal ainsi que d'autres effets cristallins observes le long des axes du cristal ; ces effets produisent un grand nombre de photons qui, à leur tour, génèrent un grand nombre de paires e+e- dans une cible amorphe. Les photons et les paires sont créés dans deux cibles différentes séparées par une certaine distance permettant l'installation d'un aimant pour dévier les particules chargées avant la cible amorphe. Une telle source est appelée source hybride de positrons ; elle a été choisie par le CERN pour le projet CLIC. Ce type de sources présente de réels avantages par rapport aux cibles conventionnelles qui ont une grande emittance ainsi qu'un niveau important de dépôt d'énergie dans la cible. Apres un rappel des phénomènes physiques qui concernent notre étude, des simulations détaillées utilisant d'une part le programme de V .Strakhovenko pour les effets cristallins et d'autre part le code GEANT4 pour la génération des positrons conduisent à une description complète pour les photons et les positrons avec, notamment, les espaces de phase longitudinal et transverse, le spectre en énergie, la distribution temporelle,.. Nous avons particulièrement insiste sur deux points : d'abord sur les dispositifs de capture des positrons -après la cible- qui sont essentiels pour avoir de bons rendements de positrons acceptes et ensuite sur la densité de l'énergie déposée dans la cible qui représente un paramètre important pour la survie des cibles. En ce qui concerne le premier point, trois dispositifs de capture ont été étudiés : le système adiabatique (AMD), le système quart d'onde (QWT) et la lentille de lithium. Pour le deuxième point qui concerne l'énergie déposée et l'échauffement de la cible, on a cherché à optimiser la densité d'énergie déposée en diminuant son maximum (PEDD) ; l'énergie moyenne déposée a aussi été optimisée en utilisant une solution spéciale pour le convertisseur : un convertisseur granulaire forme de petites sphères, comme cela avait été considéré précédemment pour les usines à neutrinos. Des résultats très prometteurs nous ont conduits à envisager la source hybride de positrons avec un convertisseur granulaire comme une solution au difficile problème d'ILC. Cette solution est étudiée moyennant une transformation des impulsions du faisceau avant la cible, comme cela avait été envisage par l'équipe du KEK. Le transport du faisceau de positrons au-delà du solénoïde a été étudié avec la première partie de l'optique quadrupolaire.

Le travail développé dans cette thèse concerne un type particulier de sources de positrons utilisant le rayonnement de canalisation dans un cristal ainsi que d’autres effets cristallins observes le long des axes du cristal ; ces effets produisent un grand nombre de photons qui, à leur tour, génèrent un grand nombre de paires e+e- dans une cible amorphe. Les photons et les paires sont créés dans deux cibles différentes séparées par une certaine distance permettant l’installation d’un aimant pour dévier les particules chargées avant la cible amorphe. Une telle source est appelée source hybride de positrons ; elle a été choisie par le CERN pour le projet CLIC. Ce type de sources présente de réels avantages par rapport aux cibles conventionnelles qui ont une grande emittance ainsi qu’un niveau important de dépôt d’énergie dans la cible.Apres un rappel des phénomènes physiques qui concernent notre étude, des simulations détaillées utilisant d’une part le programme de V .Strakhovenko pour les effets cristallins et d’autre part le code GEANT4 pour la génération des positrons conduisent à une description complète pour les photons et les positrons avec, notamment, les espaces de phase longitudinal et transverse, le spectre en énergie, la distribution temporelle,.. Nous avons particulièrement insiste sur deux points : d’abord sur les dispositifs de capture des positrons -après la cible- qui sont essentiels pour avoir de bons rendements de positrons acceptes et ensuite sur la densité de l’énergie déposée dans la cible qui représente un paramètre important pour la survie des cibles. En ce qui concerne le premier point, trois dispositifs de capture ont été étudiés : le système adiabatique (AMD), le système quart d’onde (QWT) et la lentille de lithium. Pour le deuxième point qui concerne l’énergie déposée et l’échauffement de la cible, on a cherché à optimiser la densité d’énergie déposée en diminuant son maximum (PEDD) ; l’énergie moyenne déposée a aussi été optimisée en utilisant une solution spéciale pour le convertisseur : un convertisseur granulaire forme de petites sphères, comme cela avait été considéré précédemment pour les usines à neutrinos. Des résultats très prometteurs nous ont conduits à envisager la source hybride de positrons avec un convertisseur granulaire comme une solution au difficile problème d’ILC. Cette solution est étudiée moyennant une transformation des impulsions du faisceau avant la cible, comme cela avait été envisage par l’équipe du KEK. Le transport du faisceau de positrons au-delà du solénoïde a été étudié avec la première partie de l’optique quadrupolaire. / The research work carried out for this PhD is concerning a special kind of positron source using channeling radiation and other crystal effects in an axially oriented crystal to generate a high number of photons which create, subsequently, a large number of pairs in an amorphous target. Photon generation and pair creation are developing in two targets separated by some distance allowing a sweeping magnet to get off the charged particles away from the amorphous converter. Such a scheme is called an hybrid positron source and has been adopted for the CLIC baseline. This kind of sources present big advantages with respect to the conventional sources where large emittance and important heat deposition are met. After some recall on the physical phenomena of interest for our study, detailed simulations are worked out using a special program dealing with crystal effects from Prof. Strakhovenko and the GEANT4 code; these tools led to a complete description of the positron source concerning the photons from one side and the positrons, from the other side, for which the main characteristics have been determined: transverse and longitudinal phase space, energy spectrum, time distribution,…Emphasis has been put on two points: first the matching devices capturing the positrons after the target which are essential for good accepted yields and the energy deposition density which is an important question for the reliability of the targets. Concerning the former point, three matching devices have been studied and their features compared: the Adiabatic Matching Device (AMD) largely used or considered for the positron sources, the Quarter Wave Transformer (QWT) and also the Lithium lens. For the latter point, related to the energy deposition and heating of the targets, we have tried to optimize the energy deposition density lowering its maximum value (PEDD); the average heat deposition has also been optimized using special converter material in granular shape, as considered for the neutrino factories. Very promising results allowed us to consider the hybrid positron source as an alternative to the difficult case of ILC; a special scheme for the transformation of the ILC beam pulses has been used, after KEK proposition. The positron beam transport has also been studied in the first part of the positron pre-accelerator including the solenoid and the first part of the quadrupole channel.

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.