L'imagerie par faisceau relève le défi des accélérateurs sophistiqués
Les systèmes de diagnostic par faisceau sont des éléments essentiels de chaque accélérateur de particules. Sans éléments de diagnostic, il serait impossible d'utiliser des accélérateurs linéaires pour le traitement du cancer par radiothérapie, sans parler du plus grand collisionneur d'atomes au monde, le Grand Collisionneur de Hadrons. Ils révèlent les propriétés d'un faisceau de particules et comment il se comporte au sein de l'accélérateur.Financé par l'UE, le projet DITA-IIF (Investigations into advanced beam instrumentation for the optimization of particle accelerators) avait pour mission de faire progresser l'état de l'art dans le domaine du diagnostic par faisceau, à partir de la lumière émise par un faisceau de particules chargées. «Il existe beaucoup de variétés de diagnostic par faisceau, dont certaines se fondent sur la détection directe des charges et des courants induits par le faisceau. Le projet de recherche DITA-IIF avant pour objectif de faire progresser l'état de l'art dans le diagnostic par rayonnement optique ou quasi-optique», a expliqué le professeur Carsten Welsch, coordinateur de projet de l'Université de Liverpool, au Royaume-Uni. Imagerie à rayonnement optique L'équipe de DITA-IIF, sous la conduite du Dr Ralph Fiorito de l'institut Cockcroft à l'Université de Liverpool, a mis au point un nouvel algorithme permettant d'analyser le rayonnement à transition optique produit lorsqu'un faisceau intercepte une feuille mince. Plus particulièrement, la forme de l'image mesurée du rayonnement de transition optique - la fonction de source ponctuelle - d'un seul électron est utilisée pour calculer la taille du faisceau. Pour atteindre une précision sub-micronique, des artéfacts artificiels tels que des aberrations et des problèmes d'alignement sont isolés et éliminés. «La nouvelle méthode est actuellement utilisée pour améliorer la résolution des systèmes optiques mis au point pour obtenir des images de faisceaux de l'ordre du micron qui sont produits par l'Accelerator Test Facility de l'Organisation de recherche sur l'accélérateur haute énergie, à Tsukuba, au Japon», fait remarquer le professeur Welsch. Par ailleurs, les chercheurs ont mis au point une nouvelle technique d'imagerie par faisceau qui repose sur une série de micro-miroirs contrôlés électroniquement. Ce dispositif de traitement numérique de la lumière fournit un masque optique pour filtrer le rayonnement optique depuis le centre du faisceau et ajouter l'image résultante à celle du halo extérieur. En tant que filtre spatial, il atténue la diffraction de la lumière autour des systèmes d'optique utilisés pour produire une image du faisceau. Afin d'évaluer les performances de ces systèmes d'imagerie par faisceau, les chercheurs comparent actuellement les mesures en laboratoire aux résultats de simulation du Zemax Optical Studio. Le professeur Welsch ajoute que «cette étude comparative améliorera non seulement notre compréhension de la méthode d'imagerie par faisceau mais aussi celle de tout dispositif de traitement numérique de la lumière utilisé pour l'imagerie médicale ou astronomique ainsi que pour des applications de détection à distance.» Imagerie à rayonnement cohérent non-invasif L'équipe DITA-IIF est allée encore plus loin en proposant une nouvelle méthode d'imagerie par faisceau fondée sur les mesures d'un rayonnement cohérent produit lorsque plusieurs électrons traversent une ouverture. La répartition angulaire et spatiale du rayonnement de diffraction cohérente est capturée et analysée pour obtenir la longueur du faisceau. Fait important, les chercheurs pourraient imager la fonction de source ponctuelle d'une diffraction cohérente de rayonnement dans le régime de la longueur d'onde du térahertz. À l'aide du faisceau d'électrons 20 GeV généré au Facility for Advanced Accelerator Experiment Tests (FACET) de l'Université de Stanford aux États-Unis, ils ont également démontré l'absence de contamination provenant d'autres sources de rayonnement. Outre les problèmes liés à l'imagerie par faisceau haute énergie, «le diagnostic mis au point dans le cadre de DITA-IIF a d'excellentes perspectives d'application dans une vaste variété d'accélérateurs ainsi que dans les sources de lumière. Ils fournissent une meilleure résolution de manière moins invasive et changent la donne pour caractériser totalement un faisceau de particules chargées», conclut le professeur Welsch.
Mots‑clés
Imagerie par faisceau, imagerie à rayonnement cohérent, accélérateurs de particules, DITA-IIF, sources de lumière
