A Light for Science. Visite INSA - JL REVOL - Janvier 2010 Installation Européenne de Rayonnement Synchrotron ST ISN INPG CEA Schneider CNRS ILL EMBL

A Light for Science

Visite INSA - JL REVOL - Janvier 2010

Installation EuropéenneInstallation Européennede Rayonnement Synchrotronde Rayonnement Synchrotron

STISN

INPGCEA

SchneiderCNRS

ILLEMBL

IBS

ESRF

“polygone scientifique” de Grenoble


L’ESRF en bref

L’ESRF en bref :

• Centre de recherche en opération depuis quinze ans (30 Sept. 1994)

• Société de droit français dont le financement est assuré par 19 pays.

• Un budget annuel de 80 M€

• 600 employés originaires de 30 pays250 scientifiques et ingénieurs

185 techniciens

40 post doctorants

30 Thésards

75 Personnel administratif, directeurs,…

20 Financement exterieurs (EU etc)

• Langue de travail : Anglais


Qualités remarquables de la lumière synchrotron

De plus :• Flux• Polarisation• Stabilité du faisceau

• Brillance• Cohérence• Emission pulsée (longueur d’un flash : 100 ps)

Synchrotron Radiation (SR)

Paquetd’électrons

Lumière synchrotron

Electrons

Electrons

Lumière Synchrotron – rayonnement électromagnétique produit par des

particules chargées (électrons,..) circulant à la vitesse de la lumière quand elles sont

déviées.

Large bande d’énergie/longueurs d’onde: De l’infra rouge (~0.1eV; ~10μm)

Au rayonnement X dur (~1MeV; ~1fm)


Pure permanent magnet4 magnet blocks /period

(much better sinusoidal field is produced by using 4 blocks)

Material: NdFeB, Sm2Co17

HybridMagnet material

NdFeB, Sm2Co17 Pole material Fe-Co

low carbon steel

Slightly higher field at low gaps/period but field correction more difficult to perform

ID magnetic structures

80 % of ESRF IDS 20 % of ESRF IDs

Vacuum TubeMinGap

AdjustableGap

Magnet array

Magnet array

Out Of Vacuum Undulator

Vacuum Tube

AdjustableGap

Magnet array

Magnet array

In Vacuum Undulator

e-

e-

Advantage of the in vacuum device:much smaller minimum gap, and hence larger Kmax for a given u.

advantage at high photon energies or for low energy machine.

(between 30keV and 100 KeV at ESRF)Inconvenience:

Complicated mechanical assembly under vacuum.More space needed for one segment.

NdFeB: High field (Br = 1.15T), low radiation resistance and less heat resistance.Sm2Co17: Lower field Br = 1.03T, good radiation and heat resistance.In air: NdFeB for its high field.In vacuum Sm2Co17, due to its higher radiation resistance

Gap min=11 mm

Gap min=5 mm


64 Dipoles

320 Quadrupoles

224 Sextupoles

Generation of emittance by radiation

Electron 2 emits e at the exit of the bending magnet. same energy when crossing the magnet stay on the reference trajectory

Electron 1 emits E at the entrance of the bending magnet. lower energy when crossing the magnet larger curvature

A horizontal beam size and divergence(or emittance)

and an energy spread is created.

quadrupole6.01 GeV

6.00 GeV

5.99 GeV

The focus point is not the same due to different energies

quadrupole6.01 GeV

6.00 GeV

5.99 GeV

The focus point is not the same due to different energies

6.01 GeV

5.99 GeV

Cell 5Cav 1 & 2 Cell 7

Cav 3 & 4

Cell 25Cav 5 & 6

BoosterCav 1 & 2

Storage Ring

Teststand

TRA0

TRA1TRA2

TRA3

Cell 23


Cav 3 & 4

Cell 25Cav 5 & 6

BoosterCav 1 & 2

Storage Ring

Teststand

TRA0

TRA1TRA2

TRA3

Cell 23

Klystrons à l’ESRF

1.3 MW -352MHz

The electron beam position is continuously measured at 224 positions around the ring with a resolution of 1m with averaging.

This deviation is minimized by a global correction by SVD method, which is computed every 30 sec.

The correction is applied at 96 positions in each plane using steerer magnets.


In-air Length =1.64 m

In-vacuum Length =2.4 m

Standard Revolver

StandardCryogenic

(2.4 m bride à bride, 2m assemblage magnétique)

10 mm externe

8 mm interne


Situation: sections droites de 5 mètres

QD3 5 metresQD1QF2 QF2QD1 QD3Dipôle

N S N S N S

N S N S NS

u

1. Choose value of lu.

2. Set K by altering the gap.

ID Design

Gap Determines K

How do insertion devices work ?

Slide: 9Visite INSA - JL Revol - Janvier 2009

456

1020

2

3

456

1021

2

3P

hot/s

/0.1

%bw

/mm

2 /mr2

5 6 7 8 910keV

2 3 4 5

Photon Energy

ESRF Upgraded U18 in Vacuum U35 in Air

ESRF in 2006

U18 in Vacuum U35 in Air

Augmentation de la brillanceBrilliance = photons /s / mm2 /mrad2 /0.1% bandwidth

Upgrade de la source


456

1020

2

3

456

1021

2

3

Pho

t/s/0

.1%

bw/m

m2 /m

r2

5 6 7 8 910keV

2 3 4 5

Photon Energy

ESRF Upgraded U18 in Vacuum U35 in Air

ESRF in 2006

U18 in Vacuum U35 in Air

Brilliance = photons /s / mm2 /mrad2 /0.1% bandwidth

= 4.6 MeV

The power radiated around the length of the ring bending magnets by a current of 200 mA = 920 kW

E [GeV] =0.3 B [T] [m] B=0.8 T = 25 m

14.4 kW /Dipole

Power generated by one undulator (1.6 m) = 3kWInstalled ID power = 250 kW (100 kW used)

2kW/mm2 at 200 mA

Power Consumption: SR (200 mA)= 5650 kWSR (0 mA) = 4300 kWInjector: 2 000 kW

9.3 MW stored


Cav 3 & 4

Cell 25Cav 5 & 6

BoosterCav 1 & 2

Storage Ring

Teststand

TRA0

TRA1TRA2

TRA3

Cell 23


Cav 3 & 4

Cell 25Cav 5 & 6

BoosterCav 1 & 2

Storage Ring

Teststand

TRA0

TRA1TRA2

TRA3

Cell 23


Horizontal Vertical

Emittances 4 nm 30 pm

function 2.5 35 2.5

Beam size 45 m 380 m 9 m

Required stability

4.5 m 38 m 0.9 m

Stability Criteria:

Emittance growth < 20%

10% on beam size and 10% on beam divergence


CaractéristiquesCaractéristiques

• 40 stations expérimentales indépendantes et dédiées autour de l’anneau (844 mètres de circonférence).

• Fonctionnement 24h/24 & 7j/7

• Taux de disponibilité 2008 : 98.4%

• Temps moyen entre deux pannes : 64 h.

Le concept ESRF


97.95%

2.05%

97.61%

2.39%

98.65%

1.35%

97.83%

2.17%

98.30%

1.70%

99.04%

0.96%

90%

91%

92%

93%

94%

95%

96%

97%

98%

99%

100%

Per

cen

tag

e o

f av

aila

bili

ty

2004 2005 2006 2007 2008 2009Years

ACCELERATOR'S AVAILABILITY FROM 2004 TO 2009


Operation planning Year 2009

User mode: 5648 Hours Machine Dedicated Time: 1288 Hours Shutdown: 1824 Hours

Thu 01 Sun 01 . . . Sun 01 . . . Wed 01 . . . Fri 01 . . . Mon 01 Wed 01 . . . Sat 01 Tue 01 MDT Thu 01 . . . Sun 01 . . . Tue 01 MDTFri 02 Mon 02 . . . Mon 02 . . . Thu 02 . . . Sat 02 . . . Tue 02 Thu 02 . . . Sun 02 Wed 02 . . . Fri 02 . . . Mon 02 . . . Wed 02 . . .Sat 03 Tue 03 MDT Tue 03 MDT Fri 03 . . . Sun 03 . . . Wed 03 Fri 03 . . . Mon 03 Thu 03 . . . Sat 03 . . . Tue 03 MDT Thu 03 . . .

Sun 04 Wed 04 MDT Wed 04 . . . Sat 04 . . . Mon 04 . . . Thu 04 Sat 04 . . . Tue 04 Fri 04 . . . Sun 04 . . . Wed 04 . . . Fri 04 . . .Mon 05 Thu 05 . . . Thu 05 . . . Sun 05 . . . Tue 05 MDT Fri 05 MDT Sun 05 . . . Wed 05 Sat 05 . . . Mon 05 . . . Thu 05 . . . Sat 05 . . .Tue 06 Fri 06 . . . Fri 06 . . . Mon 06 . . . Wed 06 . . . Sat 06 MDT Mon 06 . . . Thu 06 Sun 06 . . . Tue 06 . . . Fri 06 . . . Sun 06 . . .

Wed 07 Sat 07 . . . Sat 07 . . . Tue 07 MDT Thu 07 . . . Sun 07 MDT Tue 07 MDT Fri 07 Mon 07 . . . Wed 07 Sat 07 . . . Mon 07 . . .Thu 08 Sun 08 . . . Sun 08 . . . Wed 08 . . . Fri 08 . . . Mon 08 MDT Wed 08 . . . Sat 08 Tue 08 MDT Thu 08 Sun 08 . . . Tue 08 MDTFri 09 Mon 09 . . . Mon 09 . . . Thu 09 . . . Sat 09 . . . Tue 09 . . . Thu 09 . . . Sun 09 Wed 09 . . . Fri 09 Mon 09 MDT Wed 09 . . .Sat 10 Tue 10 MDT Tue 10 MDT Fri 10 . . . Sun 10 . . . Wed 10 . . . Fri 10 . . . Mon 10 Thu 10 . . . Sat 10 Tue 10 . . . Thu 10 . . .

Sun 11 Wed 11 . . . Wed 11 . . . Sat 11 . . . Mon 11 . . . Thu 11 . . . Sat 11 . . . Tue 11 Fri 11 . . . Sun 11 Wed 11 . . . Fri 11 . . .Mon 12 Thu 12 . . . Thu 12 . . . Sun 12 . . . Tue 12 MDT Fri 12 . . . Sun 12 . . . Wed 12 Sat 12 . . . Mon 12 Thu 12 . . . Sat 12 . . .Tue 13 Fri 13 . . . Fri 13 . . . Mon 13 . . . Wed 13 . . . Sat 13 . . . Mon 13 . . . Thu 13 Sun 13 . . . Tue 13 Fri 13 . . . Sun 13 . . .

Wed 14 Sat 14 . . . Sat 14 . . . Tue 14 MDT Thu 14 . . . Sun 14 . . . Tue 14 . M M Fri 14 Mon 14 . . . Wed 14 Sat 14 . . . Mon 14 . . .Thu 15 Sun 15 . . . Sun 15 . . . Wed 15 . . . Fri 15 . . . Mon 15 . . . Wed 15 . . . Sat 15 Tue 15 . . . Thu 15 Sun 15 . . . Tue 15 MDTFri 16 M M M Mon 16 . . . Mon 16 . . . Thu 16 . . . Sat 16 . . . Tue 16 MDT Thu 16 . . . Sun 16 Wed 16 MDT Fri 16 MDT Mon 16 . . . Wed 16 . . .Sat 17 M M M Tue 17 MDT Tue 17 . . . Fri 17 . . . Sun 17 . . . Wed 17 . . . Fri 17 . . . Mon 17 Thu 17 . . . Sat 17 MDT Tue 17 MDT Thu 17 . . .

Sun 18 M M M Wed 18 . . . Wed 18 Sat 18 . . . Mon 18 . . . Thu 18 . . . Sat 18 . . . Tue 18 Fri 18 . . . Sun 18 MDT Wed 18 . . . Fri 18 . . .Mon 19 M M M Thu 19 . . . Thu 19 Sun 19 . . . Tue 19 MDT Fri 19 . . . Sun 19 . . . Wed 19 Sat 19 . . . Mon 19 MDT Thu 19 . . . Sat 19 . . .Tue 20 . . . Fri 20 . . . Fri 20 Mon 20 . . . Wed 20 . . . Sat 20 . . . Mon 20 . . . Thu 20 Sun 20 . . . Tue 20 . . . Fri 20 . . . Sun 20 . . .

Wed 21 . . . Sat 21 . . . Sat 21 Tue 21 MDT Thu 21 . . . Sun 21 . . . Tue 21 MDT Fri 21 MDT Mon 21 . . . Wed 21 . . . Sat 21 . . . Mon 21Thu 22 . . . Sun 22 . . . Sun 22 Wed 22 . . . Fri 22 . . . Mon 22 . . . Wed 22 . . . Sat 22 MDT Tue 22 MDT Thu 22 . . . Sun 22 . . . Tue 22Fri 23 . . . Mon 23 . . . Mon 23 Thu 23 . . . Sat 23 . . . Tue 23 MDT Thu 23 . . . Sun 23 MDT Wed 23 . . . Fri 23 . . . Mon 23 . . . Wed 23Sat 24 . . . Tue 24 MDT Tue 24 Fri 24 . . . Sun 24 . . . Wed 24 . . . Fri 24 . . . Mon 24 MDT Thu 24 . . . Sat 24 . . . Tue 24 MDT Thu 24

Sun 25 . . . Wed 25 . . . Wed 25 Sat 25 . . . Mon 25 . . . Thu 25 . . . Sat 25 . . . Tue 25 . . . Fri 25 . . . Sun 25 . . . Wed 25 . . . Fri 25Mon 26 . . . Thu 26 . . . Thu 26 Sun 26 . . . Tue 26 . . . Fri 26 . . . Sun 26 . . . Wed 26 . . . Sat 26 . . . Mon 26 . . . Thu 26 . . . Sat 26Tue 27 MDT Fri 27 . . . Fri 27 MDT Mon 27 . . . Wed 27 Sat 27 . . . Mon 27 . . . Thu 27 . . . Sun 27 . . . Tue 27 MDT Fri 27 . . . Sun 27

Wed 28 . . . Sat 28 . . . Sat 28 MDT Tue 28 MDT Thu 28 Sun 28 . . . Tue 28 . . . Fri 28 . . . Mon 28 . . . Wed 28 . . . Sat 28 . . . Mon 28Thu 29 . . . Sun 29 MDT Wed 29 . . . Fri 29 Mon 29 . . . Wed 29 Sat 29 . . . Tue 29 MDT Thu 29 . . . Sun 29 . . . Tue 29Fri 30 . . . Mon 30 MDT Thu 30 . . . Sat 30 Tue 30 MDT Thu 30 Sun 30 . . . Wed 30 . . . Fri 30 . . . Mon 30 . . . Wed 30Sat 31 . . . Tue 31 . . . Sun 31 Fri 31 Mon 31 . . . Sat 31 . . . Thu 31

May 2009 Jun 2009 Nov 2009 Dec 2009Jul 2009 Aug 2009 Sep 2009 Oct 2009Jan 2009 Feb 2009 Mar 2009 Apr 2009


49.1

1.0

44.4

1.1

61.5

0.8

56.8

1.2

64.5

1.1

75.8

0.7

-10

10

30

50

70

90

110

Hou

rs

2004

2005

2006

2007

2008

2009

Mean Time Between Failures over the years (as of 07/10/2009)


La recherche scientifique…La recherche scientifique…

Science des matériaux

Biologie

Science del’environnement

Physique

Médecine

Chimie

……et industrielleet industrielle

NOx

CO

HC

CO2

H2O

N2

NOx

CO

HC

CO2

H2O

N2

Convertisseurcatalytique

Au service de la recherche

Chiffres clés de la

recherche

• 2000 propositions de recherche

• 6300 utilisateurs

• 1500 sessions expérimentales

• 1500 publications scientifiques avec référé

Slide: 17Visite INSA - JL Revol - Janvier 2009Performances et programme d'upgrade de l'ESRF - JL Revol - Roscoff 2009

ESRF Upgrade 2008-2017

Un programme de développement

(Upgrade) en parallèle de l’opération.

(budget: 176 million Euros)

Le programme d’Upgrade inclut:

La source

L’extension du Hall Expérimental

8 Nouvelles lignes de lumière avec le développent de l'instrumentation

New, better

science


Upgrade de la source

Allongement des sections droites dédiées aux éléments d’insertion

Révision du système Radio Fréquence

Augmentation du courant

Injection permanente pour les modes à fort courant par paquet

Maintien/Amélioration de la stabilité

Objectif:

Augmenter Flux/Brillance/Capacité

Eviter l'obsolescence des équipements

Maintenir la fiabilité


Extension du Hall Expérimental: EX2

Chartreuse 120 m

(ID27-ID29)

Belledonne 130-140 m (ID31-ID02)

Vercors 120 m

(ID06-ID09)

Peninsular 110 m

(ID20-ID22)

L’ESRF aujourd’hui

L’ESRF demain

Objectif: Rallonger les lignes pour augmenter la focalisation et accroître la capacité en infrastructure.


Extension du Hall Expérimental: EX2

Hall existant

Hall nouveauLaboratoires,

bureaux, ateliers nouveaux

Point critique: Stabilité de la dalle

EXPH2LOB

Dates clés:

Avant projet sommaire: Février 2010Avant projet détaillé: Mai 2010

Début travaux: Eté 2011Durée des travaux: 1an

Contraintes:

Limiter la période d’arrêt et

les perturbations de stabilité induites durant le chantier.

Visite INSA - JL REVOL - Janvier 2010Performances et programme d'upgrade de l'ESRF - JL Revol - Roscoff 2009

Contrat de Projets Etat-Région 2007-2013

Budget total: 15M€ Région Rhône-AlpesGrenoble Alpes Métropole Ville de Grenoble

GIE: Grands Instruments Européens

21

Centre visiteurs

Centre pour Collaborations Scientifiques

Restaurant Nouvelle entrée Réception


Le “Polygone scientifique” en mouvement!

ESRF Upgrade

ILL/ESRF CPER

ILL Upgrade

GIANT (Grenoble Isère Alpes Nano Technologies)

Documents

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