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Etude exp

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Title: Etude exp


1
Etude expérimentale du photo-injecteur de Fermilab
Soutenance de thèse Jean-Paul
Carneiro Laboratoire de lAccélérateur
Linéaire Auditorium Pierre Lehmann Mercredi 23
Mai 2001, 14H00
2
Plan de lexposé
1. Introduction 2. Description du
photo-injecteur 3. Expériences Courant
dobscurité Efficacité quantique Emittance
transverse Longueur des paquets 4. Conclusion

3
LACCELERATEUR TESLA
4
LACCELERATEUR TESLA TEST FACILITY (TTF)
100 meters
RD effectué par 9 pays et 40 institutions.
Contribution principale de Fermilab à TTF
- Developpement, Fabrication et
Installation du photo-injecteur de TTF.
5
LES PHOTO-INJECTEURS DE DESY ET DE A0
Developpement du photo-injecteur de TTF
effectué au Fermilab de 1993 à 1997. (Thèse de E.
Colby)
Fabrication en 1998 de 2 photo-injecteurs
identiques.

Installation à DESY du premier. (Décembre
1998)
Installation au Fermilab (Hall A0) du
second. (Mars 1999)
But poursuivre létude de la dynamique du
faisceau dans un photo-injecteur.
But délivrer du faisceau à TTF.
6
PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU PHOTO-INJECTEUR
Bz
Bz
Guide d onde
Solénoïde primaire 2000 G
Solénoïde secondaire 800 G
Bz
Solénoïde de contre-champ 2000 G
Canon HF 1.5 cellules TM010,? 1.3 GHz 40 MV/m
3 MW 5 MeV
Photo-cathode
Paquets d électrons
Miroir
Impulsions Laser UV
7
SCHEMA DU PHOTO-INJECTEUR INSTALLE AU FERMILAB
Chambre de préparation des photo-cathodes
Cavité supraconductrice
Cibles de Faraday
Chicane
Doublet
Triplet
Triplet
Triplet
Canon HF et solénoïdes
Spectromètre
15 m
8
PARAMETRES DU FAISCEAU
Structure temporelle
Courant moyen
Q 8 nC
8 mA
Temps
800 µs
100 ms
Energie, Emittance (après la cavité
supraconductrice)
Energie totale
17-18 MeV
Emittance normalisée à 1 nC
2-3 mm-mrad
Emittance normalisée à 8 nC
15 mm-mrad
9
LASER (Université de Rochester, Etat de New-York)
12 nJ/impulsion 60 ps 1054 nm
2.5 nJ/ /impulsion 400 ps
800 /impulsion 2 nJ/pulse 400 ps
100 µJ/ /impulsion 400 ps
Oscillateur NdYLF 81,25 MHz
2 km de fibre optique
Cellule de Pockels 1 MHz
Amplificateur multi-passages Nd-verre
Amplificateur double-passage Nd-verre
400 µJ/ /impulsion 4,2 ps
20 µJ/impulsion 4,2 ps 263 nm
0.8 mJ/ /impulsion 400 ps
600 µJ/ /impulsion 400 ps
100 µJ/ /impulsion 4,2 ps 532 nm
10 µJ/ /impulsion 10,8 ps 263 nm
Superposeur dimpulsions
Filtrage spatial
Compresseur
Cristaux BBO
10
LA CHAMBRE DE PREPARATION DES PHOTO-CATHODES
(INFN-Milan)
Dépôt dune fine couche (quelques nanomètres)
de tellure et de césium sur le substrat en
molybdène. Un système de bras articulés permet
de transférer sous ultra-vide (10 mbar)
la photo-cathode jusquau canon HF.
11
LE CANON HF ET LES SOLENOIDES (Fermilab UCLA)
SOLENOIDEDE CONTRE-CHAMP
CANON HF
SOLENOIDE PRIMAIRE
SOLENOIDE SECONDAIRE
12
LA CAVITE SUPRACONDUCTRICE (DESY IPN-Orsay)
LA CHICANE (Fermilab)
CRYOSTAT DE LA CAVITE SUPRACONDUCTRICE
CHICANE
Paramètres de la cavité de capture
fonctionne à 12 MV/m sur laxe.
Paramètres de la chicane
4 dipôles de forces égales. fonctionne à 700
Gauss courbe dans le plan vertical Rapport de
compression 5 - 6 (théorie et mesure)
13
SECTION A FAIBLE BETA
LENSEMBLE DE LA LIGNE DE FAISCEAU
EXPERIENCE ACCELERATION DANS UN PLASMA
SPECTROMETRE
14
MESURES DU COURANT DOBSCURITE
Principe de mesures En utilisant une cible de
Faraday à z ? 0.6 m.
Primaire Ip
Signaux de l oscilloscope
Cible de Faraday
canal 1 puissance incidente dans le canon
HF canal 2 cible de Faraday
Contre-champ Icc
Secondaire Is
15
Comparaison du courant dobscurité Mars 99 /
November 00 IccIpIs 0 A
16
Doù vient le courant dobscurité?
Visualisation du courant dobscurité et du
photo-courant à z ? 6.5 m

Contour de la photo-cathode
17
MESURES DE LEFFICACITE QUANTIQUE
Q nC
Nombre d électrons transmis
0, 47 ?
?
EQ
Nombre de photons incidents
E µJ
Q nC Charge du paquet mesurée avec
un ICT ( à z0,6 m )
E µJ Energie de l impulsion UV
incidente mesurée avec un
mesureur d énergie.
Nous avons utilisé depuis 2 ans la même
photo-cathode dans le canon HF sans détérioration
de son efficacité quantique (0,5 - 4 ).
18
Mesure de la charge maximale extraite du canon
HF. ? 1.3 mm, ?z 10.8 ps FWHM, Eo 35 MV/m,
IccIpIs 220 A
19
MESURES DE LEMITTANCE TRANSVERSE
Le photo-injecteur est un ensemble à 8
paramètres libres
Laser
Canon HF
Cavité de capture
But Déterminer, pour une charge Q donnée,
lensemble des paramètres donnant lémittance
transverse minimimun (chicane
dégaussée).
20
Comment mesure-ton lémittance transverse
par la méthode des fentes
Ouverture des fentes 50 µm Epaisseur des
fentes 6 mm Espacement entre fentes 1mm
21
Localisation des fentes pour les mesures de
lémittance
Cavité supraconductrice
z 3.8 m Ex
9.5 m Ex et Ey
6.5 m Ex et Ey
Doublet
Triplet
Triplet
Triplet
Canon HF et solénoïdes
Chicane
Spectromètre
15 m
22
Exemple mesure de lémittance dun faisceau de 8
nC à z3.8 m, échantillons à ?z 384 mm
FAISCEAU X3
ECHANTILLONS X4
Intensité u. a.
Intensité u. a.
Position mm
Position mm
23
Comment a-ton procédé pour les mesures de
lémittance ?
PARAMETRES FIXES
24
Emittance Vs. Phase d injection ø0 (z 3.8 m) Q
1 nC, Eo 35 MV/m, ? 0.8 mm
Q 0.4 nC
Q 0.8 nC
Q 0.5 nC
25
Emittance Vs. Courant dans les solénoïdes (z
3.8 m) Q 8 nC, ø0 40 deg, Eo 30, 35, 40
MV/m, ? 1.6 mm
26
Emittance Vs. Courant dans les solénoïdes (z
3.8 m) Q 1 nC, ø0 40 deg, Eo 40 MV/m, ?
0.5, 0.8 1.0 mm
Min Emit à 0.5 mm, 260 A
27
Comparaison Mesure / HOMDYN / PARMELA Cas Q 1
nC, ? 0.5 mm
28
Comparaison Mesure / HOMDYN / PARMELA Cas Q 8
nC, ? 1.6 mm
29
Emittance Vs. Charge (z 3.8 m) ø0 40 deg,
Eo 40 MV/m, ?z 10.8 ps FWHM
HOMDYN prédit une diminution de l émittance
d un facteur 2 pour ?z 20 ps FWHM.
30
Enveloppe d un faisceau de charge Q 1 nC ø0
40 deg, Eo 40 MV/m, ? 0.8 mm, IccIpIs
255 A Q3 1.32 A, Q4 -2.42 A, Q5 1.32 A.
Premier triplet
9.4 m
6.5 m
31
Enveloppe d un faisceau de charge Q 8 nC ø0
40 deg, Eo 40 MV/m, ? 1.6 mm, IccIpIs
245 A Q3 1.3 A, Q4 -2.6 A, Q5 1.3 A Q6
2.2 A, Q7 - 4.2 A, Q8 2.2 A.
Premier triplet
Second triplet
6.5 m
9.4 m
32
Emittance transverse le long de la ligne de
transport.
CAS Q 1 nC

Z m
Mesure
HOMDYN
PARMELA
4.1 0.3
Emit. Norm. Y
3.8
9.2
1.7
5.0 0.2
6.5
1.7
9.1
Emit. Norm.. X
6.5
1.4
9.2
5.1 0.2
Emit. Norm. Y
6.8 0.2
Emit. Norm. X
9.4
1.6
9.6
5.8 0.2
9.4
9.6
0.9
Emit. Norm. Y
CAS Q 8 nC
Mesure
Z m
HOMDYN
PARMELA
10.0 0.1
3.8
11
40.7
Emit. Norm. Y
11.6 0.5
Emit. Norm. X
6.5
12.5
39.1
6.5
9.7
40.5
8.9 0.7
Emit. Norm. Y
14.4 0.5
Emit. Norm. X
9.4
8.5
39.3
18.3 0.9
Emit. Norm. Y
9.4
16.4
41.2
33
MESURES DE LA LONGUEUR DES PAQUETS
Principe - Utilisation dune caméra à
balayage de fente HAMAMATSU
de 1.8 ps de résolution -
Ecran RTO à z 6.5 m système optique (2 m)
Ecran RTO
Caméra à balayage de fente
34
Exemple Mesure de la longueur de paquets de
charge 8 nC à z6.5 m.
MODE STATIQUE
MODE DECLENCHE
Intensité u. a.
Intensité u. a.
Temps ps
Temps ps
35
Longueur de paquets Vs. Charge ø0 40 deg, Eo
40 MV/m, ? 2.1 mm, ?z 10.8 ps
FWHM IccIpIs 240 A
36
PRINCIPE DE COMPRESSION AVEC LA CHICANE
QUANTITE DE MOUVEMENT
QUANTITE DE MOUVEMENT
QUEUE PgtPo
PHASE
PHASE
Po
PgtPo
PPo
TETE PltPo
PltPo
37
Compression Vs. Phase de la cavité de capture Q
8 nC, ø0 40 deg, Eo 40 MV/m, ? 2.1 mm, ?z
10.8 ps FWHM IccIpIs 240 A
38
SIMULATION HOMDYN Variation démittance le long
de la ligne de transport pour un faisceau
comprimé de charge Q 8 nC.
35
30
e
x,n
e
25
y,n
20
15
Rayonnement Synchrotron Cohérent (Etude en
cours au CTF DU CERN)
10
chicane
entrée sortie
5
0
0
2
4
6
8
10
12
Position longitudinale m
39
CONCLUSIONS
Comparaison Prédiction (Parmela, Fermilab 1994)
et Mesure (1999 ? 2001)
Q 1 nC
Q 8 nC
Mesure
Prédiction
Mesure
Prédiction
Avant compression
Impulsions laser FWHM
8 ps
10.8 ps
10.8 ps
28 ps
1.6 mm
Impulsions laser RMS
0.7 mm
0.8 mm
1.5 mm
45
Phase dinjection
40
45
40
40 MV/m
Champ accélérateur crête ds le canon
35 MV/m
35 MV/m
40 MV/m
Emittance transverse RMS norm.
2.5 mm-mrad
3.7 0.1 mm-mrad
11 mm-mrad
12.6 0.4 mm-mrad
Dispersion en énergie
1.2
0.25 0.02
4.2
0.38 0.02
4.3 mm
Longueur des paquets
1.27 mm
1.6 0.1 mm
2.9 0.2 mm
276 A
Courant crête
75 A
330 A
80 A
Après compression
15 mm-mrad
3.02 mm-mrad
non-mesuré
non-mesuré
Emittance transverse RMS norm.
Longueur des paquets
0.55 0.07 mm
1 mm
0.55 0.05 mm
1 mm
Courant crête
218 A
958 A
1741 A
120 A
40
CONCLUSIONS (suite et fin)
Etudes futures possibles - Poursuivre les
études du courant dobscurité (origines) -
Poursuivre létude de loptimisation de
lémittance transverse dun faisceau
non-comprimé (impulsion laser de 20 ps FWHM).
- Mesurer et optimiser lémittance dun
faisceau comprimé. - Comprendre le
désaccord entre PARMELA et les mesures. -
Poursuivre les expériences en cours (Accélération
de particules dans un plasma).
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