<p>The Duke Free-electron laser (FEL) system, driven by the Duke electron storage ring, has been at the forefront of developing new light source capabilities over the past two decades. In 1999, the Duke FEL demonstrated the first lasing of a storage ring FEL in the vacuum ultraviolet (VUV) region at $194$ nm using two planar OK-4 undulators. With two helical undulators added to the outboard sides of the planar undulators, in 2005 the highest FEL gain ($47.8\%$) of a storage ring FEL was achieved using the Duke FEL system with a four-undulator configuration. In addition, the Duke FEL has been used as the photon source to drive the High Intensity $\gamma$-ray Source (HIGS) via Compton scattering of the FEL beam and electron beam inside the FEL cavity. Taking advantage of FEL's wavelength tunability as well as the adjustability of the energy of the electron beam in the storage ring, the nearly monochromatic $\gamma$-ray beam has been produced in a wide energy range from $1$ to $100$ MeV at the HIGS. To further push the FEL short wavelength limit and enhance the FEL gain in the VUV regime for high energy $\gamma$-ray production, two additional helical undulators were installed in 2012 using an undulator switchyard system to allow switching between the two planar and two helical undulators in the middle section of the FEL system. Using different undulator configurations made possible by the switchyard, a number of novel capabilities of the storage ring FEL have been developed and exploited for a wide FEL wavelength range from infrared (IR) to VUV. These new capabilities will eventually be made available to the $\gamma$-ray operation, which will greatly enhance the $\gamma$-ray user research program, creating new opportunities for certain types of nuclear physics research.</p><p>With the wide wavelength tuning range, the FEL is an intrinsically well-suited device to produce lasing with multiple colors. Taking advantage of the availability of an undulator system with multiple undulators, we have demonstrated the first two-color lasing of a storage ring FEL. Using either a three- or four-undulator configuration with a pair of dual-band high reflectivity mirrors, we have achieved simultaneous lasing in the IR and UV spectral regions. With the low-gain feature of the storage ring FEL, the power generated at the two wavelengths can be equally built up and precisely balanced to reach FEL saturation. A systematic experimental program to characterize this two-color FEL has been carried out, including precise power control, a study of the power stability of two-color lasing, wavelength tuning, and the impact of the FEL mirror degradation. Using this two-color laser, we have started to develop a new two-color $\gamma$-ray beam for scientific research at the HIGS.</p><p>Using the undulator switchyard, four helical undulators installed in the beamline can be configured to not only enhance the FEL gain in the VUV regime, but also allow for the full polarization control of the FEL beams. For the accelerator operation, the use of helical undulators is essential to extend the FEL mirror lifetime by reducing radiation damage from harmonic undulator radiation. Using a pair of helical undulators with opposite helicities, we have realized (1) fast helicity switching between left- and right-circular polarizations, and (2) the generation of fully controllable linear polarization. In order to extend these new capabilities of polarization control to the $\gamma$-ray operation in a wide energy range at the HIGS, a set of FEL polarization diagnostic systems need to be developed to cover the entire FEL wavelength range. The preliminary development of the polarization diagnostics for the wavelength range from IR to UV has been carried out.</p> / Dissertation

Techn. University, Diss., 2002--Darmstadt.

Als Basis der Positronenquelle zur Erzeugung polarisierter Positronen bei einem zukuunftigen internationalen Linearkollider ist ein helikaler Undulator vorgesehen. Das E-166 Experiment testete diese Methode unter Benutzung eines ein Meter langen, kurzperiodischen, gepulsten helikalen Undulators im Final Focus Test Beam (FFTB) am SLAC. Ein 46.6 GeV Elektronenstrahl mit geringer Emittanz wurde durch diesen Undulator gefuehrt und erzeugte zirkular polarisierte Photonen mit einer Energie bis zu ungefaehr 8 MeV. Diese wiederum konvertierten in einem relativ duennen Target zu longitudinal polarisierten Positronen. Die Polarisation der Positronen wurde bei 5 verschieden Positronenergien gemessen. Zusaetzlich ist die Polarisation von Elektronen fuer einen Energiepunkt gemessen worden. Um die gemessenen Asymmetrien mit den Erwartungen vergleichen zu koennen, waren detaillierte Simulationen noetig. Dies erforderte die Erweiterung von von GEANT4 um die wichtigsten polarisationsabhaengigen Wechselwirkungen von Elektronen, Positronen und Photonen mit Materie. Die gemessene Positronpolarisation stimmt mit den Erwartungen ueberein und betraegt fuer den Energiepunkt mit der hoechsten Polarisation von 6 MeV mehr als 80 prozent. / A helical undulator based polarized positron source is forseen at a future International Linear Collider. The E-166 experiment has tested this scheme using a one meter long, short-period, pulsed helical undulator installed in the Final Focus Test Beam (FFTB) at SLAC. A low-emittance 46.6 GeV electron beam passing through this undulator generated circularly polarized photons with energies up to about 8 MeV. The generated photons of several MeV with circular polarization are then converted in a relatively thin target to generate longitudinally polarized positrons. Measurements of the positron polarization have been performed at 5 different energies of the positrons. In addition electron polarization has been determined for one energy point. For a comparison of the measured asymmetries with the expectations detailed simulations were necessary. This required upgrading GEANT4 to include the dominant polarization dependent interactions of electrons, positrons and photons in matter. The measured polarization of the positrons agrees with the expectations and is for the energy point with the highest polarization at 6 MeV about 80 percent.

Synchrotron light source are accelerating research and development and fueling innovation in a wide range of research disciplines and industries worldwide. The third-generation synchrotron radiation facilities such as Advanced Photon Source (APS), produce ultra-brilliant x-rays using insertion devices consisting mainly of undulators, which provide exciting opportunities for advanced research into materials, earth science, life science, and medicine. Using high brightness x-ray radiation with high spatial coherence, unique coherence-based experiments are now becoming possible: coherence imaging techniques such as phase contrast imaging, holography, and tomography, are under intensive development, opening up a range of new areas of investigation. At the same time some useful optical elements used in the synchrotron radiation system have been created rapidly. Crucial to the development of all these fields is some knowledge of the spatial coherence of the light produced by these sources. In other words, the characterization of spatial coherence is a high priority. / The aim of this project is to develop a theoretical and experimental program to allow the measurement of the spatial coherence of synchrotron radiation. A technique to measure the spatial coherence of x-rays from undulators is presented. The essence of the coherence measurement technique is based on the interpretation of a complex diffraction pattern. We measure the spatial coherence function of a 7.9 keV x-ray beam from an undulator at a third-generation synchrotron (APS) using a sophisticated diffracting aperture known as a Uniformly Redundant Array (URA). The URA was also used to measure the spatial coherence function for soft x-rays at the APS. When a traditional Young’s double-slit experiment is used to test the degree of coherence, the separations of the two-slit have to be changed repeatedly to full map the spatial coherence function. The URA is a complex aperture consisting of many slits, (or, for a two-dimensional array, pinholes), organized such that all possible slit separations occur, and do so with exactly the same frequency. One might regard the URA as able to simultaneously perform many Young’s experiments a precisely equal number of times across the full range of slit separations permitted by the overall size of the URA. Therefore one experiment using a one-dimensional (1D) URA can perform the equivalent of multiple double-slit experiments. The diffraction theory developed in this thesis a convenient theoretical basis for interpreting this diffraction pattern.

Le contexte de cette thèse est l'étude de la cohérence partielle dans les faisceaux synchrotron produits par les anneaux de stockage de basse émittance, comme l’ESRF-EBS. L'objectif principal est la compréhension et l'application de la physique sous-jacente pour l'implémentation et le développement d'outils de calcul.Nous développons d’abord une théorie de l'optique-statistique pour les radiations émisses par des anneaux de stockage qui est basée sur le théorème de Kim et sur les contributions de Geloni et al. Nous utilisons ces formules d'une manière détaillée et légèrement différente. Nous insistons sur l'importance des paramètres stochastiques des faisceaux d'électrons pour décrire les propriétés de cohérence. Nous observerons que la longueur du paquet des électrons n’affecte pas les propriétés de la cohérence s’il y a un couplage faible entre la position longitudinal de l’électron et ses autres paramètres.Nous avons construit une description de l'optique statistique pour l’émission synchrotron liée aux modes de cohérence. Nous voyons qu'un ensemble est complètement cohérent si et seulement si ses modes de cohérences se réduisent a un seul mode. Geloni et al. mentionnent que l’émission d’un synchrotron est un processus stochastique gaussien. Nous ajoutons qu’il a une moyenne nulle et il est symétrique circulaire. En conséquence nous pouvons donner une interprétation physique au degré de cohérence spectrale en termes de densité de probabilité conditionnée de forme gaussienne.Nous avons développé et implémenté un algorithme qui calcule la décomposition de la densité spectrale en modes de cohérences. Il peut être appliqué à un faisceau d'électrons avec un paramètre Twiss-alpha fini et une dispersion d’énergie. Nous avons implémenté deux versions de l'algorithme. La première résout l'équation de Fredholm dans une base de fonctions constantes par morceaux. Les calculs pour les hautes harmoniques d'un onduleur et pour des émittances relativement larges demandent une trop grande mémoire pour être calculées. Pour réduire la mémoire requise, nous avons développé une méthode en deux pas. On résout d'abord l'équation pour un faisceau d'électron de divergence nulle, puis on ajoute les effets de la divergence dans un second temps.Nous présentons des tests approfondis qui incluent une distribution des électrons du type fonction delta, des champs électriques gaussiens dont les résultats analytiques sont connus, ainsi qu'une comparaison avec des résultats Monte Carlo produits par SRW.Nous appliquons cet algorithme sur un nombre de cas particuliers. Nous déterminons combien de modes sont nécessaires pour inclure 95% de la densité spectrale et comment le degré de cohérence spectrale change. Nous trouvons que la dispersion d'énergie ajoute des modes de cohérence. Cet effet est négligeable pour des anneaux courants mais pour l’ESRF-EBS elle ajoute des nouveaux modes. Des onduleurs plus courts et des plus hautes harmoniques augmentent le nombre de modes. Une comparaison entre un onduleur placée dans un point avec alpha fini et dans un point symétrique ne montre pas de différences significative. Une réduction artificielle de l’émittance du anneau ESRF-EBS montre un décroit du nombre de mode jusqu’à arriver à un seul mode.Nous avons simulé une ligne de lumière simplifiée focalisant 1:1. Une réduction de la taille de l'ouverture change les valeurs propres du spectre vers des modes de plus en plus petits ce qui entraine aussi une réduction du flux. Nous présentons une comparaison entre la densité spectrale calculée avec l’approximation Gauss-Shell, l’approximation analytique et l’approximation de la séparation. Bien qu'il n'y a pas d'erreurs négligeables entre le calcul exact et l'approximation de la séparation, nous concluons que cette dernière peut être une bonne et rapide solution permettant des calculs sur des ordinateur portables.Nous terminons cette thèse par une discussion/des idées sur de futures recherches. / The context of this thesis is the study of the partial coherence in synchrotron beams produced by ultra low emittance storage rings, like the ESRF-EBS ring under construction. As main objectives we had the understanding, application and development of the underlying physics and the implementation of computer tools able to calculate the relevant parameters.In the first part of this thesis we develop a theory for statistical optics for storage ring radiation. It is based on the brightness convolution theorem by Kim and on the subtle but very important theoretical contributions from Geloni et al. We derive their formulas in a slightly different way or in more a detailed form.We emphasize the importance of the description of the electron beam stochastic for the coherence properties of storage ring emission. We observe that for weak coupling of the longitudinal electron position to the other beam parameters the bunch length is a free parameter in view of coherence properties.We build our description of statistical optics around coherent modes. We show that an ensemble is completely coherent if and only if its coherent mode decomposition is a single mode. Geloni et al. mentioned that the synchrotron storage ring emission is a Gaussian random process. We add that the process has zero mean and is circularly-symmetric. In consequence we can give the spectral degree of coherence a physical interpretation in terms of Gaussian shaped conditional probability densities.We developed and implemented an algorithm that calculates the coherent mode decomposition of the cross spectral density for a given wavelength. It can be applied to electron beams with finite Twiss alpha and with energy spread. We implemented two algorithms. The first version solves the Fredholm equation in a two-dimensional step function basis set. Because of its memory requirements high undulator harmonics or current lattices with high emittances cannot be calculated. To reduce the memory requirements we developed the two-step method that solves the problem first for an electron beam with zero divergence and adds the effects of the divergence in a second step. The algorithms use the eigensolver library SLEPc. The implementations of the algorithms are open source.We present extensive tests of the algorithms. They include a delta-function shaped electron beam, a Gaussian single electron reference electric field, whose results are analytically known, and comparisons to SRW Monte Carlo samplings.We apply the algorithm to some particular cases. We determine how many modes are necessary to incorporate 95% of the spectral density and how the spectral degree of coherence changes. We find that the energy spread adds extra coherent modes. This effect is negligible for current lattices but for the ESRF-EBS lattice it accounts for a significant fraction of the total modes. Shorter undulators and higher harmonics increase the number of modes. A comparison between an undulator placed at a point with finite alpha and at a symmetry point shows no significant differences. A reduction of the ESRF-EBS beam parameters show a decrease of the mode numbers until they reach a single mode. We simulate a simple 1:1 imaging beamline with an aperture in the image plane. A reduction of the aperture size changes the eigenvalue spectrum to fewer and fewer modes that is paid with a decrease of flux. We present a comparison of the calculated cross spectral density with a Gaussian Schell-model, an analytic approximation and a separation approximation. Although there are not negligible errors between the exact calculation and the separation approximation we come to the conclusions that the separation approximation might be a good and quick approximation that allows the calculation on portable computers.We end the thesis with some ideas for future research.

Les lasers à électrons libres (LEL) X sont aujourd'hui des sources lumineuses cohérentes et intenses utilisées pour des investigations multidisciplinaires de la matière. Un nouveau schéma d'accélération, l'accélérateur laser plasma (LPA), est maintenant capable de produire une accélération de quelques GeV/cm, bien supérieure à celle des linacs radiofréquence. Ce travail de thèse a été mené dans le cadre des programmes de R&D du projet LUNEX5 (laser à électrons libres utilisant un nouvel accélérateur pour l’exploitation du rayonnement X de 5e génération) de démonstrateur LEL avancé et compact avec applications utilisatrices pilotes. Il comprend un linac supraconducteur de 400 MeV de haute cadence (10 kHz) pour l’étude de schémas LEL avancés, et LPA pour sa qualification par une application LEL. La ligne LEL utilise une configuration d’injection avancée dans la plage spectrale 40-4 nm par génération d’harmoniques à gain élevé (HGHG) et schéma d’écho (EEHG) avec des onduleurs compacts cryogéniques à champ élevé de courte période courte. L'étude de solutions adaptées aux applications LEL compactes et avancées est donc examinée. Un premier aspect concerne la réduction du milieu de gain du LEL (électrons dans l'onduleur), le raccourcissement de la période se faisant au détriment du champ magnétique. Les onduleurs cryogéniques compacts à base d'aimants permanents cryogéniques (CPMU), dans lesquels les performances de l'aimant sont améliorées à la température cryogénique sont étudiés. Une deuxième partie du travail développée dans le cadre l’expérience de R&D COXINEL visant à démontrer l’amplification LEL à l’aide d’un LPA. La ligne permet de manipuler les propriétés des faisceaux d’électrons produits (dispersion en énergie, divergence, variation de pointé) avant d’être utilisées pour des applications de sources lumineuses. Le faisceau d'électrons généré est très divergent et nécessite une bonne manipulation juste après la source avec des quadrupôles forts placés immédiatement après la génération d'électrons. Ainsi, des quadrupôles innovants à aimants permanents de gradient élevé réglable appelés «QUAPEVA», sont développés. Ils sont optimisés avec le code RADIA et caractérisées avec trois mesures magnétiques. Un gradient de 200 T/m avec une variabilité de 50 % est obtenu tout en maintenant une excursion du centre magnétique réduite à ± 10 µm, qui a permis un alignement par compensation de pointé du faisceau dans COXINEL grâce au centre magnétique variable des systèmes, avec un faisceau bien focalisé sans dispersion. Les QUAPEVA constituent des systèmes originaux dans le paysage des quadrupôles à de gradient élevé et variable développés jusqu'à présent. Une troisième partie des travaux concerne l’observation du rayonnement d’onduleur monochromatique ajustable sur la ligne COXINEL. Le faisceau d'électrons d'énergie de 170 MeV est transporté et focalisé dans un CPMU de 2 m et de période de 18 mm émettant à 200 nm. Le flux spectral est caractérisé à l'aide d'un spectromètre UV et le flux angulaire mesuré par une caméra CCD. La longueur d'onde est accordée avec l’entrefer. Les distributions spatio-spectrales mesurées en forme de lune du rayonnement de l'onduleur sont bien reproduites par les simulations de rayonnement utilisant les distributions d’électrons mesurées et transportées le long de la ligne. Elles permettent aussi de renseigner sur la qualité du faisceau d’électrons, de son transport et d'en estimer les paramètres tels que la dispersion en énergie et la divergence. Le dernier aspect du travail est lié à la comparaison entre la génération des harmoniques en gain élevé et le schéma d’écho, dans le cadre de ma participation à une expérience réalisée à FERMI @ ELETTRA. Nous avons pu démontrer un LEL de type écho à 5,9 nm, avec spectres plus étroits et une meilleure reproductibilité que le schéma HGHG à deux étages. Cette thèse constitue un pas en avant vers les lasers à électrons libres compacts et avancés. / X-ray Free Electron Lasers (FEL) are nowadays unique intense coherent fs light sources used for multi-disciplinary investigations of matter. A new acceleration scheme such as Laser Plasma Accelerator (LPA) is now capable of producing an accelerating gradient of few GeV/cm far superior to that of conventional RF linacs. This PhD work has been conducted in the framework of R&D programs of the LUNEX5 (free electron Laser Using a New accelerator for the Exploitation of X-ray radiation of 5th generation) project of advanced and compact Free Electron laser demonstrator with pilot user applications. It comprises a 400 MeV superconducting linac for studies of advanced FEL schemes, high repetition rate operation (10 kHz), multi-FEL lines, a Laser Wake Field Accelerator (LWFA) for its qualification by a FEL application. The FEL lines comports enables advanced seeding in the 40-4 nm spectral range using high gain harmonic generation (HGHG) and echo-enabled harmonic generation (EEHG) with compact short period high field cryogenic undulators. The study of compact devices suitable for compact FEL applications is thus examined. One first aspect concerns the reduction of the Free Electron Laser gain medium (electrons in undulator) where shortening of the period is on the expense of the magnetic field leading to an intensity reduction at high harmonics. Compact cryogenic permanent magnet based undulators (CPMUs), where the magnet performance is increased at cryogenic temperature making them suitable for compact applications, are studied. Three CPMUs of period 18 mm have been built: two are installed at SOLEIL storage ring and one at COXINEL experiment. A second part of the work is developed in the frame of the R&D programs is the COXINEL experiment with an aim at demonstrating FEL amplification using an LPA source. The line enables to manipulate the properties of the produced electron beams (as energy spread, divergence, induced dispersion due) before being used for light source applications. The electron beam generated is highly divergent and requires a good handling at an early stage with strong quadrupoles, to be installed immediately after the electron generation source. Hence, the development of the so-called QUAPEVAs, innovative permanent magnet quadrupoles with high tunable gradient, is presented. The QUAPEVAs are optimized with RADIA code and characterized with three magnetic measurements. High tunable gradient is achieved while maintaining a rather good magnetic center excursion that allowed for beam pointing alignment compensation at COXINEL, where the beam is well-focused with zero dispersion at any location along the line. The QUAPEVAs constitute original systems in the landscape of variable high gradient quadrupoles developed so far. A third part of the work concerns the observation of tunable monochromatic undulator radiation on the COXINEL line. The electron beam of energy of 170 MeV is transported and focused in a 2-m long CPMU with a period of 18 mm emitting radiation light at 200 nm. The spectral flux is characterized using a UV spectrometer and the angular flux is captured by a CCD camera. The wavelength is tuned with the undulator gap variation. The spatio-spectral moon shape type pattern of the undulator radiation provided an insight on the electron beam quality and its transport enabling the estimation of the electron beam parameters such as energy spread and divergence. The final aspect of the work is related to the comparison between the echo and high gain harmonic generation, in the frame of my participation to an experiment carried out at FERMI@ELETTRA. At FERMI, we have demonstrated a high gain lasing using EEHG at a wavelength of 5.9 nm where it showed a narrower spectra and better reproducibility compared to a two-stage HGHG. This PhD work constitutes a step forward towards advanced compact Free Electron Lasers.

Les onduleurs sont des systèmes magnétiques créant un champ périodique permanent. Les sources de rayonnement synchrotron dites de « troisième génération » produisent du rayonnement accordable de haute intensité lorsque les particules relativistes sont accélérées dans ce champ magnétique. A une énergie donnée des électrons, l’émission est rayonnée à d’autant plus courte longueur d’onde que le champ magnétique créé est important et que la période est petite. Une première solution consiste à mettre les aimants sous vide. Le sujet de thèse consiste à améliorer les performances magnétiques de ce type d’onduleur de 30% en refroidissant le système magnétique. L’utilisation de la nuance d’aimant Pr2Fe14B permet de refroidir les aimants à la température de l’azote liquide ce qui simplifie beaucoup le système de refroidissement.Dans le chapitre I les caractéristiques magnétiques des onduleurs sont décrites, les différents types d’onduleurs sont présentés et l’état de l’art des onduleurs cryogénique est effectué. Dans le chapitre II plusieurs échantillons d’aimants permanents NdFeB et PrFeB de différents fournisseurs sont caractérisés. Deux prototypes d’onduleurs cryogéniques de 4 périodes, un avec la nuance NdFeB et l’autre avec la nuance PrFeB sont étudiés et réalisés afin de comparer et d’ajuster s’il y a besoin le modèle de simulation du système magnétique. La conception d’un onduleur cryogénique de 2 m utilisant la nuance d’aimant PrFeB en partant d’un onduleur sous vide de 2 m utilisant la nuance d’aimant SmCo est effectuée. La période de l’onduleur est optimisée et les forces magnétiques associées sont calculées. Dans le chapitre III la conception du châssis et des différentes pièces mécaniques est présentée. L’étude thermique qui inclut les apports de chaleur des différentes pièces et les calculs d’apport de chaleur du faisceau d’électrons pour tous les modes de remplissage du faisceau d’électrons et à différentes position dans l’anneau de stockage sont effectués. Le système de refroidissement est optimisé et la conception du circuit de refroidissement sur les poutres d’aimants est présentée. Dans le chapitre IV les différentes méthodes utilisées pour les mesures magnétiques sont décrites, les bancs de mesures magnétiques utilisés à SOLEIL sont présentés. La conception du banc de mesure magnétique intégré dans la chambre à vide afin de mesurer l’onduleur cryogénique à des températures cryogéniques est effectuée. Dans le chapitre V les différentes étapes de la construction de onduleur sous vide U20 (assemblage magnétique, corrections magnétique et « shimming », « magic finger », assemblage mécanique de la chambre à vide, l’installation et la caractérisation avec le faisceau) sont effectuées. Dans le chapitre VI les différentes étapes de la construction de l’onduleur cryogénique, le montage, l’ajustement et la calibration du banc de mesures à froid dans la chambre à vide de l’onduleur sont présentées. Les résultats de mesures magnétiques à froid sont comparés avec les mesures magnétiques de l’onduleur à température ambiante. La caractérisation de l’onduleur avec le faisceau d’électrons est effectuée et les perspectives d’amélioration de cet onduleur cryogénique sont proposées. / Undulators are magnetic systems which produce periodic magnetic field. Synchrotron radiation sources called third generation produce high intensity radiation when relativistic particles are accelerated in this magnetic field. The radiation is emitted at shorter wave length for high magnetic field and small period undulators. A first solution consists to integrate the magnetic system in a big vacuum chamber. The subject of the thesis is to improve the magnetic performance of an in vacuum undulator of 30 % by cooling down the magnetic system at cryogenic temperature. Using Pr2Fe14B permanent magnet allows cooling down directly to the liquid nitrogen temperature which simplified the cooling system.IN chapter I the magnetic characteristics of undulators are described, different types of undulators are presented and the state of the art of cryogenic undulator is given. In chapter II permanent magnet samples Pr2Fe14B Nd2Fe14B from different companies are characterised. Two four period prototypes, one with Pr2Fe14B and one with Nd2Fe14B have been assembled and measured to compare with the magnetic system simulation. The magnetic design of a full scale 2 m Pr2Fe14B undulator has been performed. The period of the undulator is optimised and the magnetic forces calculated. In chapter III the mechanical design of the carriage and different mechanical parts is presented. Thermal studies which include the dissipated power from different mechanical parts and from the electrons beam for all filling modes and different positions in SOLEIL storage ring. The cooling system is optimised and the design of the cooled girders is presented. In chapter IV the different magnetic measurements methods are described and the magnetic measurement bench used at SOLEIL presented. The design of magnetic bench installed in the vacuum chamber and dedicated to the magnetic measurement at cryogenic temperature is presented. In chapter V the different steps for the construction of an in-vacuum undulator (magnetic assembly, shimming, magic finger, mechanical assembly of the vacuum chamber, installation and commissioning with the electrons beam) are presented. In chapter VI the different steps of the constructing of a cryogenic undulator, the assembly and the ajustement of cryogenic temperature magnetic bench are described. The magnetic measurements of the undulator at cryogenic and room temperature are compared. The commissioning of the undulator with the electrons beam is presented and the perspectives to improve this cryogenic undulator are proposed.

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.

Les centres de rayonnement synchrotron et les Lasers à Électrons Libres (LEL) sont des sources de rayonnement utilisant des Électrons relativistes. Les onduleurs en constituent un élément important : ces instruments qui génèrent un champ magnétique périodique le long de la trajectoire des électrons, guident ces derniers de façon à les faire rayonner ou à rendre l’onde lumineuse émise plus intense. Ce travail porte sur l’étude d’onduleurs de différents types appliqués au Synchrotron SOLEIL, et sur leur possible application sur un LEL. Une première partie du travail porte sur la réalisation pour SOLEIL de deux onduleurs de type APPLE-II. Ce type d’onduleurs permet d’émettre du rayonnement de polarisation variable et les deux onduleurs construits présentent certaines spécificités par rapport à la plupart des onduleurs de ce type. Le premier (HU36) génère un champ magnétique de courte période tout en conservant une valeur crête relativement importante, ce qui lui permet de rayonner sur une large gamme spectrale. Ces caractéristiques entrainent cependant une hystérésis expliquée par la déformation des supports. Les moyens mis en œuvre pour atteindre ces caractéristiques magnétiques et pour réduire l’hystérésis sont présentés. Le deuxième onduleur APPLE-II construit (HU64) présente la double particularité d’être quasipériodique (ou apériodique) afin de réduire la pollution rayonnée aux harmoniques de la longueur d’onde fondamentale, et de permettre l’accès à de la polarisation linéaire inclinée sur une plage de 180° grâce à son châssis étendu. L’optimisation magnétique de sa structure apériodique est détaillée et les difficultés découlant des configurations étendues sont expliquées. Dans un deuxième temps, la réalisation pour SOLEIL d’un troisième onduleur d’un tout autre type est présentée. Il s’agit d’un onduleur hybride sous-vide appelé U20. Des pôles intercalés entre les aimants guident les lignes de champ de façon à augmenter la densité de flux magnétique sur axe, et l’assemblage magnétique ainsi obtenu est installé dans la chambre à vide, ce qui permet de réduire l’entrefer minimum à 5.5 mm et donc, d’accroitre considérablement la valeur crête du champ magnétique généré. Compte-tenu des connaissances acquises pendant la construction des deux onduleurs APPLE-II et de l’onduleur sous-vide, l’étude d’un onduleur combinant ces deux aspects est ensuite proposée. Cet onduleur de tyoe « APPLE-II sous-vide » serait extrêmement polyvalent puisqu’il permettrait l’émission de rayonnement de différentes polarisations sur une large gamme spectrale. L’étude de principe menée ici met en évidence les nombreuses difficultés à surmonter et propose différentes solutions. La dernière partie du travail porte sur l’étude de l’interaction qui s’opère dans le cas d’un LEL au sein de l’onduleur entre les électrons et l’onde lumineuse, conduisant à l’amplification de cette dernière. Des expériences menées en configuration SASE et en mode injecté sur le SPARC (Italie, Frascati) sont rapportées, puis des calculs sont réalisés dans le cadre du projet LUNEX5, pour évaluer l’efficacité de cette interaction dans un onduleur apériodique, et dans l’onduleur APPLE-II sous-vide envisagé précédemment. / Storage rings and Free Electron Lasers (FEL) are relativistic electron based radiation sources, in which an important element is a device called undulator. This apparatus generates a periodic magnetic field along the electron trajectory, guiding the particles in such a way that they lose energy to the benefit of the radiation. This work deals with the study of several undulators of different types, and also their application on FEL sources. A first part of the work is dedicated to the construction of two APPLE-II type undulators for SOLEIL. Undulators of this type are able to emit radiation of variable polarization states, and the two studied devices present some special characteristics with respect to most of APPLE-II undulators. The first one (HU36) generates a short period high value magnetic field, leading to radiation emitted on a large spectral range. These parameters brought about a hysteresis explained by the deformation of the magnet supports, which was reduced. The second APPLE-II undulator (HU64) is characterized by two particularities: its field is quasi-periodic (or aperiodic) in order to reduce the pollution emitted at harmonics of the fundamental wavelength, and it is based on a special frame enabling radiation of tilted linear polarization on the full range of 180°. The optimization of the aperiodic structure is detailed and the difficulties brought about by the extended frame are explained. The third undulator built for SOLEIL is a hybrid in-vacuum one. Ferromagnetic poles guide the magnetic flux lines in order to increase the on-axis flux density, and the magnetic part of the undulator is included inside the vacuum chamber, which leads to a higher value of the generated field. Starting from the knowledge of both APPLE-II and in-vacuum undulators, the study of a device combining both characteristics is then proposed. Such an in-vacuum APPLE-II undulator would consist in a very performant and flexible apparatus because it could emit radiation of variable polarization on a large spectral range. The study points out the technical difficulties and suggests some solutions. The last part of the work deals with the study of the interaction realized in a FEL between electrons and radiation, resulting in the amplification of the light. Experiments performed in both SASE and injected configurations at the FEL SPARC (Italy, Frascati) are reported. Then calculations are made in the case of the FEL French project LUNEX5 to estimate the interaction efficiency when realized inside a quasi-periodic undulator and also through the previously studied in-vacuum APPLE-II one.

This thesis investigates the use of high-power lasers for synchrotron radiation sources with high brilliance, from the EUV to the hard X-ray spectral range. Hereby lasers accelerate electrons by laser-wakefield acceleration (LWFA), act as optical undulators, or both. Experimental evidence shows for the first time that LWFA electron bunches are shorter than the driving laser and have a length scale comparable to the plasma wavelength. Furthermore, a first proof of principle experiment demonstrates that LWFA electrons can be exploited to generate undulator radiation. Building upon these experimental findings, as well as extensive numerical simulations of Thomson scattering, the theoretical foundations of a novel interaction geometry for laser-matter interaction are developed. This new method is very general and when tailored towards relativistically moving targets not being limited by the focusability (Rayleigh length) of the laser, while it does not require a waveguide. In a theoretical investigation of Thomson scattering, the optical analogue of undulator radiation, the limits of Thomson sources in scaling towards higher peak brilliances are highlighted. This leads to a novel method for generating brilliant, highly tunable X-ray sources, which is highly energy efficient by circumventing the laser Rayleigh limit through a novel traveling-wave Thomson scattering (TWTS) geometry. This new method suggests increases in X-ray photon yields of 2-3 orders of magnitudes using existing lasers and a way towards efficient, optical undulators to drive a free-electron laser. The results presented here extend far beyond the scope of this work. The possibility to use lasers as particle accelerators, as well as optical undulators, leads to very compact and energy efficient synchrotron sources. The resulting monoenergetic radiation of high brilliance in a range from extreme ultraviolet (EUV) to hard X-ray radiation is of fundamental importance for basic research, medical applications, material and life sciences and is going to significantly contribute to a new generation of radiation sources and free-electron lasers (FELs).