Mesure prcise de la polarisation longitudinale HERA laide dune cavit FabryPerot - PowerPoint PPT Presentation

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Mesure prcise de la polarisation longitudinale HERA laide dune cavit FabryPerot

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Mesure prcise de la polarisation longitudinale HERA laide dune cavit FabryPerot – PowerPoint PPT presentation

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Title: Mesure prcise de la polarisation longitudinale HERA laide dune cavit FabryPerot


1
Mesure précise de la polarisation longitudinale à
HERA à laide dune cavité Fabry-Perot
  • Courte introduction à HERA-2
  • Polarisation des faisceaux de? à HERA
  • Mesure de la polarisation longitudinale
  • Description générale
  • ? cavité Fabry-Perot
  • Implantation à HERA
  • Performances
  • Futur utilisation de cavités à Tesla

2
HERA-2
Augmentation de la lumi focalisation au centre
de H1ZEUS
new
e? polarisés longitudinalement
3
Situation actuelle
  • Polarisation
  • Lumi
  • 2002-2003 pbs bruit de fond machine dans les
    experiences lumi spécifique ok
  • 2003 améliorations conditions de bruit MAIS
    radiations trop élevées dans le Hall H1 (pb beamp
    dump des protons)

4
Programme de physique à HERA-2
  • Quelle précision sur la mesure de polarisation ?

5
  • Quelques exemples dobservables sensibles à la
    polarisation
  • Mesures ou limites sur les couplages chiraux
  • recherche de leptoquarks
  • physique électrofaible
  • détermination des couplages des quarks légers au
    Z0
  • limites sur les courants droits (WR )?
  • Précision requise sur la mesure de polarisation
  • la même pour ces 3 exemples, qques pour mille

6
Au delà du modèle standard
Modèle standard
7
  • sRH donnée par lintercepte de sobs,CC en P1
  • Incertitude sur sRH
  • Insensible aux effets systématiques ?
    signal (energy scaling par ex.)
  • Sensible
  • Incertitude stat. sur la mesure de sobs,CC
  • Systématiques sur soustraction du bruit fond
  • Stat. syst. de la mesure de polarisation

8
Incertitude statistique sur la mesure de sRH
(DsRH)/sCC en
L250 pb-1
Incertitude stat. sur sobs,CC ? 0.8 sur
(DsRH)/sCC
2.10-3
? Contribution négligeable de (DP)stat si
(DP)stat lt 2.10-3
On peut montrer que (DsRH)syst/sCC ?
(DP)syst/2 ? (DP)systlt10-2
9
Polarisation à HERA
  • Caractéristiques
  • Principe de mesure

10
  • Polarisation des électrons dans un collisionneur
  • ? Effet Sokolov Ternov
  • Electron tournant dans un champ magnétique
    uniforme
  • rayonnement
  • Proba de spin-flip

électrons naturellement polarisés
tST ? 40 mn PST ? 92
11
  • Mais, HERA est constitué de champs non-uniformes
    (dipoles, quadrupoles, cavités et solénoïdes )
  • Rayonnement synchrotron
  • ?perte dénergie ?changement dorbite
  • Si lon considère un paquet de 1010 e? et les
    champs non uniformes de HERA
  • les e- se retrouvent sur des orbites non
    prévues et subissent des champs magnétiques
    transverses
  • processus stochastique ? dépolarisation
  • Polarisation asymtotiquelt PST
  • Pour optimiser la polarisation
  • Bon matching de la polarisation entre les
    parties droites ? et les arcs ? de HERA

12
  • Matching réalisé par les harmonic bumps
  • 8 groupes daimants destinés à optimiser le spin
    matching
  • Réglages à la main en observant lévolution de
    la polarisation

Temps en heures
Un polarimètre rapide optimisera la procédure
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Variations temporelle de la polarisation
Variation de lorbite des faisceaux en cours de
run (pour optimiser la lumi dans H1 par ex
) ?variation de la polarisation
?10
  • Asservissement rapide des harmonic bumps
  • pour réduire la baisse de polarisation

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Variations spatiale de la polarisation
Non colliding bunches
Pe
?10
Numero de bunch
Colliding bunches
Pentes dues au wakefield dans les cavites
acceleratrices
15
En résumé
  • Pour le programme de physique pour optimiser la
    polarisation dans HERA
  • Polarimètre précis au pour mille
  • Rapide (le plus possible )
  • Ordre de grandeur de la précision désirée
  • 1 par bunch par mn (200 bunchs dans HERA)
  • (contrôle des correlations lumi-polar aussi
    possibles)

16
Principe de mesure de la polarisation longitudinal
e
Eg
Diffusion Compton eg g eg Section
efficace ds/dEg s0(Eg) - PeSgs1(Eg) s0, s1
connues (QED) Pe Polarisation des e-
déterminée par un fit Sg degré de
polarisation circulaire faisceau laser
(?-1) Luminosité (électron-laser)
g (k1.165eV)
e (27.5GeV)
a
Photon detector
Photon diffusé
Pe0.6
Pe0
Pe0.6
Bruit de fond
Ie intensité faisceau de- PL puissance du
laser l longueur donde laser a angle de
croisement
17
  • Pour augmenter la luminosité e--laser
  • ?Augmenter la puissance laser, soit aussi
  • ng ? ltnb. g diffusés/bunchgt ? sgeLumi
  • Si lon veut
  • (DP)statlt1/bunch/mn
  • nggt0.3
  • Plasergt3kW pour a?3o et Ie40mA

(DP)stat/bunch/mn
1
0.3
ng/bunch
Cest notre solution
18
Détection des photons et systématiques sur la
mesure de Pe
Polarimètre existant mode multi-g (e.g.
ng?1000)
Mode qques-photons (e.g. ng?1)
Sg1
Sg-1
Sg-1
Sg1
Points singuliers seuils cinématiques Compton
(12 g) brems. ( bruit de fond) ?Calibration
aisée ?(dPe)syst attendue au niveau du pour mille
Energie deposée/bunch gt5TeV Calibration difficile
et limitante
19
  • Solution technique pour obtenir ng?1 (? puissance
    laser ? 3 kW)
  • ?Amplificateur optique
  • ? cavité Fabry-Perot

20
Gain ?9000
Cavité Fabry-Perot principe
e beam
L
Polar. linéaire
Polar. circulaire
Quand nLaser ? c/2L ? résonance
  • Mais Dn/nLaser 10-11 ? asservissement
    laser/cavité
  • Effectué en jouant sur la fréquence du laser
  • ? Laser NdYAG (infra-rouge, l 1064 nm)
  • Idem projet de CEBAF (Jlab) ? électronique
    CEA-Saclay
  • Miroirs
    SMA/IN2P3 Lyon

21
Contraintes mécaniques
  • Limiter les pertes denergies des e? (champ
    électromagnetique de sillage se propageant le
    long du beam pipe)
  • Isoler cavité optique thermique
    radiations
  • Maintenir les miroirs de cavité fixes lun par
    rapport à lautre
  • ?éviter les vibrations du sol et du beam-pipe
  • Incliner la table optique dans le plan de HERA
    (8mrad le long du beam pipe 3mrad)

22
Pompes ioniques
soufflet
Beam pipe
laser
Support miroir
Support miroir
Amortisseurs passifs
23
Supports miroirs Sur la table optique isolés
de la cavité
Réglage rotation
cavité
miroir
soufflet
Inclinaisons réglages plan/trait/point
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Eléments optiques
  • Fonctions
  • Isoler le laser optiquement (laser
    ultra-stable) ? isolateur de Faraday
  • Créer une polarisation circulaire (polarisation
    linéaire en sortie du laser) ? polariseur
  • Aligner le faisceau laser avec laxe optique de
    la cavité ? miroirs motorisés
  • matcher le faisceau laser au mode fondamental
    de la cavité ? lentilles
  • Contrôler le degrés de polarisation circulaire
    ?ellipsomètre

25
ellipsomètre
Tours 4 miroirs (2 sont motorisés)
Optique ligne dentré
Amortisseurs passifs
26
Polariseur linéaire (Glan Thomson)
laser
2 isolateurs optiques
Rotateur Lame quart donde (90o en 0.7
s précision 0.005o)
Blindage m-metal Fer Plomb (1cm)
3 lentilles Pour le laser/cavity mode matching
Lames prismatiques pour extraire le signal
refléchi par la cavité
27
Laser dalignement
Tube protons
28
Blindage (3 mm pb) isolation
thermique (sandwitch Alu/isolant/Alu)
ZEUS
HERMES
29
Électronique-DAQ, Conception E. Barrelet
  • Laser et éléments optiques sont près de la cavité

s
30
  • Le programme dacquisition fonctionne !
  • Spectre de bruit de fond (egaz?egazg)

DAQ sans trigger 10 MHz
Numéro de canal
Pris juste avant que le laser ne tombe en panne
31
Estimation de la puissance intra-cavité
32
Lame de verre
P-diode
laser
cavity
nlaser
Data (oscillo)
2Hz 10V pic-pic rampe
V
fit
Intensité refléchie
zoom
Intensité transmise
Dnlaser75MHz
(nlaser3.108MHz)
t(oscillo)/s
t(oscillo)/ms
200 ms
100 ms
Fit ? Gain 9000, en accord avec dautres
determinations
33
Fit incluant la largeur spectrale du laser
(Dn)laser?5kHzgt (Dn)cavité?3kHz
Fit sans la largeur spectrale du laser
? Toute la puissance laser nentre pas dans la
cavité
34
Bilan de la puissance intra-cavité
  • A partir des resultats de ces fits
  • P ? 0.7 ? 9000 ? 0.7 W 4.4 kW
  • Stabilité meilleure que le
  • Avec ou sans faisceaux de-

Puissance incidente du laser
Perte due a la largeur spectrale du laser
Gain de la cavité
35
EllipsométriePrincipe performances
  • Polarimétrie compton PeSg déterminé
  • Si Pe au pour mille ?de même pour Sg

36
Ellipsométrie (classique)
Polarisationévolution de Ex versus Ey
y
Système de référence
x
cavité
degré de polarisation circulaire après la cavité
  • ? ? tel que (I1-I2)/(I1I2)


La lame quart donde (quartz) la stabilité des
mesures de I1 et I2 sont les éléments cruciaux
37
Boitier thermalisé 3 photodiodes
Beam splitter
Lame quart donde
CCD visualisation des modes intra-cavité
Prism Wollaston
Miroirs de renvoi
38
Calibration de la lame de quartz à Orsay
  • Défaut de parallelisme des lames de quartz
  • Seule inconnue épaisseur de la lame de quartz
    au point dimpact du laser
  • ? calibration in situ
  • Mesures de I1 et I2 en fonction de f (
    orientation axe optique) pour différents angles
    dincidence ? fit
  • Paramètre principal du fit épaisseur de la lame
    ( param. dalignement )

39
Difficultés de la mesure du fit
  • Durée dune mesure (1 angle dincidence) qques
    heures
  • Stabilité de mesure des p-diodes à long term ?
    pour mille est nécessaire
  • Modèle réaliste nécessaire pour décrire la
    propagation du laser dans la lame de quartz (
    cristal uniaxe 2 indices optiques ne et no)

Multi-extrema
40
  • Comment sassurer que le modèle est complet?
  • Indices optiques du quartz connus à 10-5 près ?
    si une détermination des indices excède les qques
    10-4 ? méthode et/ou mesure suspectes (Sosman,
    1927 The properties of Silica )
  • ?Prendre lun des indices optiques comme
    paramètre libre du fit (lautre fixé)
  • Test de notre methode/mesure
  • Mais deux lames de quartz dépaisseur différente
    nécessaires

41
  • Résultats du fit
  • (no)fit- (no)tablulée3.10-4 ? notre
    mesure/méthode est suffisamment robuste (ne
    fixée)
  • D(épaisseur)/épaisseur ? 10-3
  • ?ellipsomètre calibré au pour mille (à Orsay)
  • MAIS, il faut renforcer la stabilité du contrôle
    de la température à DESY
  • (calibration in situ à DESY)

42
Cavités résonantes pour les futurs collisionneurs
linéaires
  • TESLA ? 1 bunch / 200 ns
  • Techno. Chaude ? 1 bunch / 3 ns

43
  • Utiles pour la polarimétrie pour les
    collisionneurs de photons
  • Laser pulsé ? pico-seconde
  • répétition
  • ?5MHz (Tesla)
  • ?300MHz (techno chaude)
  • ? 10-100 mJ/pulse ? polar
  • ? 5 J/pulse ! ? collisionneur gg

44
Pourquoi un laser pulsé ?
  • On prévoit de détecter les électrons et non les g
  • Spectromètre ? mesure de lenergie de langle
    (c.f. SLC)
  • Le mode multi-g est donc envisageable pour une
    mesure de précision
  • Nbunch/seconde 104s-1 (TESLA) 107s-1 (HERA)
  • Précision envisagée DP/P ? pour mille/seconde
  • Impossible avec un laser continu
  • ?LASER pulsé de largeur temporelle ? 1 ps (ou
    moins )

45
Lasers pulsés?ps ?technique mode-locking
Dt1ps
?10 ns
t
Transfo. Fourier? superposition de N modes
longitudinaux du laser en phase
Dn1012 Hz1/(1ps)
Dnmode dépend du contrôle en fréquence du laser
n
Energie/pulse ? 1-10 nJ ? amplification nécessaire
46
Solution cavité externe
  • Si Longueur cavité nombre entier de fois celle
    du
  • laser ? tous les modes longitudinaux du laser
  • résonnent
  • Resultats publiés (Opt. Lett. 28 (2003)1835) ?
    gain de 100
  • Besoin de reduire la largeur spectrale Dnmode du
    laser pour obtenir de grands gains ???
  • ? Récement Dnmode lt 150 Hz (IEEE JSTQE 9
    (2003)1072)

47
Conclusion
  • Cavité Fabry-Perot conçue et installée à HERA
    pour mesurer la polar. Longitudinale des e?
  • Fonctionne actuellement
  • Deux points cruciaux puissance intra-cavité
    ellipsométrie
  • Objectifs de précision atteints
  • Polarimétrie à TESLA
  • Une cavité externe peut etre utilisée avec un
    laser pulsé à modes bloqués
  • RD à prévoir

48
En résumé
  • Cavité Fabry-Pérot installée au printemps 2003 à
    HERA
  • Puissance laser stabilité requise ont été
    obtenues
  • Calibration de lellipsomètre au pour mille à
    Orsay
  • Amélioration du readout des p-diodes en cours ?
    pour mille à DESY
  • En cours de mise en route actuellement

49
  • Définition de la polarisation
  • Référentiel centre de masse de le-
  • Axes x,y,z avec axe z axe de vol de le-

Proba doccurence de létat Yk
Vecteur détat ? espace spin
Opêrateur de spin
Polarisation Valeur moyenne densemble
50
  • Avantages
  • Cavité auto-résonnante ( condition de résonance
    indépendante de la longueur de cavité ? tous les
    modes sont dégénérés)
  • Devrait être peu sensible à la largeur spectrale
    des modes longitudinaux du laser
  • Cavité auto-alignée
  • Inconvénients
  • Comportement chaotique (mais déterministe)
  • Il faut controler les bifurcations
  • Choix des matériaux crucial
  • Coefficient dabsorption du milieu non-linéaire
  • Réponse du milieu non-linéaire à un laser mode
    locked

51
Cavités non-linéaires
  • Cavité avec un miroir à conjugaison de phase,
    i.e. couplage à 4 ondes (optique non linéaire à
    lordre 3)
  • Couplage à deux ondes dans une cavité en anneau
  • ?beaucoup moins sensible à la largeur spectrale
    des modes longitudinaux du laser

52
Couplage à quatre ondes
laser pompe 2
laser pompe 1
Couplage non-linéaire dordre 3
Miroir a conjuguaison de phase
Er (Es)? cavité auto-résonante !
53
Couplage à deux ondes
  • Milieu à couplage non-linéaire fort
  • largeur spectrale grande et grand gain
  • Technique utilisée en mode continu
  • Choix du milieu N.L. crucial

électrons
milieu non-linéaire
Laser pompe
  • RD pour des pulses ps de grande énergie
  • dans les 2 cas (couplage à 2 et 4 ondes)

54
(No Transcript)
55
Pdiode de ref.
Glan Thomson
Lame prismatique
Pdiode 1 2
Wollaston
L/4 6 Réglages m-métriques
56
choix
l/4 Traité anti-reflet
f
En principe
n2 ? 1.90, d2 ? 50 nm
n1 ? 1.36, d1 ? 238 nm
Quartz, ltngt ? 1.54, d ? 150 ?m
57
  • Coef. Réflexion a incidence
  • normale
  • Choix dune l/4 non
  • traité anti-reflet
  • Mais modèlisation nécessaire

R/
-20 nm
d2
d1
20 nm
Champs transmis
Dépend de lépaisseur des indices optiques no
ne.
Quartz milieu Anisotrope uniaxe ? 4 directions
permises pour le champs E (2 aller 2 retour)
58
Résultats, pour un des fichiers pris a Orsay
?6 h
Electronique p-diode
températures
piece
Data-theorie
Data theorie
59
? 4MHz/Volt (nL 3.108 MHz)
YAG laser
Lame de verre
Cavité nCnc/(2L)
piezo
génés
Signal réfléchi
ramp

modulation 930 kHz
Photodiode
Interference bande centrale porteuses
Servo (analog elec)
X
Signal de correction (boucle ferméeramp off)
V ? nL nC quand nL ? nC
60
Asservissement de la cavité
  • Il faut accorder la fréquence du laser et la
    longueur de la cavité à 10-11 près
  • Système conçu et développé au CEA-SACLAY

61
(No Transcript)
62
Calibration de la lame de Quartz à Orsay
Boite thermalisée
Polar verticale
p-diode I1
Polar verticale
f
ADC 2MHz
100 mW YAG Laser
l/4
Wollaston cube
p-diode I2
Glan Thomson
Polar elliptique
p-diode I0
Polar horizontale
  • Performances prisms Wollaston Glan Thomson
    ?10-5 (verifié)
  • Mesures de I1/I0 et I2/I0 en fonction de f pour
    différents angles dincidence ? fit ? D(ne-no)
    épaisseur
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