Etude expérimentale du photo-injecteur de Fermilab

Soutenance de thèse

Jean-Paul Carneiro

Laboratoire de l’Accélérateur LinéaireAuditorium Pierre Lehmann

Mercredi 23 Mai 2001, 14H00

Plan de l’exposé

1. Introduction2. Description du photo-injecteur3. Expériences

• Courant d’obscurité• Efficacité quantique• Emittance transverse• Longueur des paquets

4. Conclusion

L’ACCELERATEUR TESLA

Pour établir les bases techniques d’un tel collisionneur: installation à DESY (Hambourg) d’un

accélérateur prototype : TESLA TEST FACILITY.

Collisionneur linéaire e+ / e , 800 GeV COM.

L’ACCELERATEUR TESLA TEST FACILITY (TTF)

~ 100 meters

• Contribution principale de Fermilab à TTF : - Developpement, Fabrication et Installation du photo-injecteur de TTF.

• R&D effectué par 9 pays et 40 institutions.

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 l’étude de la dynamique du faisceau dans un photo-injecteur.

But : délivrer du faisceau à TTF.

Bz Bz

BzSolénoïde decontre-champ

~2000 G

Solénoïdeprimaire~2000 G

Solénoïde secondaire

~800 G

Photo-cathode

ImpulsionsLaser UV

Paquets d ’électrons

Guide d ’onde

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU PHOTO-INJECTEUR

Miroir

Canon HF ; 1.5 cellulesTM010, ; 1.3 GHz40 MV/m ; 3 MW

5 MeV

SCHEMA DU PHOTO-INJECTEUR INSTALLE AU FERMILAB

~ 15 m

Chicane

Cavité supraconductrice

Spectromètre

Cibles de Faraday

Doublet Triplet Triplet Triplet

Chambre de préparation des photo-cathodes

Canon HF et solénoïdes

PARAMETRES DU FAISCEAU

Energie totale

Emittance normalisée à 1 nC

Emittance normalisée à 8 nC

~17-18 MeV

2-3 mm-mrad

15 mm-mrad

Q = 8 nC

Temps

Courant moyen

8 mA

800 µs

100 ms

• Structure temporelle

• Energie, Emittance (après la cavité supraconductrice)

Oscillateur Nd:YLF81,25 MHz

2 km de fibre optique Cellule de Pockels1 MHz

Amplificateur multi-passagesNd-verre

Amplificateur double-passageNd-verre

12 nJ/impulsion60 ps

1054 nm

2.5 nJ/ /impulsion400 ps

800 /impulsion2 nJ/pulse

400 ps

100 µJ/ /impulsion400 ps

0.8 mJ/ /impulsion400 ps

600 µJ/ /impulsion400 ps

400 µJ/ /impulsion4,2 ps100 µJ/ /impulsion

4,2 ps532 nm

20 µJ/impulsion4,2 ps

263 nm10 µJ/ /impulsion

10,8 ps263 nm

LASER (Université de Rochester, Etat de New-York)

Filtrage spatialCompresseurCristaux BBOSuperposeur d’impulsions

LA CHAMBRE DE PREPARATION DES PHOTO-CATHODES (INFN-Milan)

• Dépôt d’une 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 jusqu’au canon HF.

10

10

SOLENOIDEDE CONTRE-CHAMP

SOLENOIDE SECONDAIRE

LE CANON HF ET LES SOLENOIDES (Fermilab & UCLA)

CANON HF

SOLENOIDE PRIMAIRE

LA CAVITE SUPRACONDUCTRICE (DESY & IPN-Orsay) & LA CHICANE (Fermilab)

CHICANE

CRYOSTAT DE LA CAVITE SUPRACONDUCTRICE

Paramètres de la cavité de capture

Paramètres de la chicane

• fonctionne à 12 MV/m sur l’axe.

• 4 dipôles de forces égales.• fonctionne à ~700 Gauss• courbe dans le plan vertical• Rapport de compression ~5 - 6 (théorie et mesure)

SECTION A FAIBLE BETA L’ENSEMBLE DE LA LIGNE DE FAISCEAU

SPECTROMETRE

EXPERIENCE ACCELERATION DANS UN PLASMA

MESURES DU COURANT D’OBSCURITE

Idc

150

Vdtt

150

91710 9

60 10 60.3 mA

• Principe de mesures : En utilisant une cible de Faraday à z 0.6 m.

Contre-champ Icc

Primaire Ip

Secondaire Is

Cible de Faraday• canal 1 : puissance incidente dans le canon HF• canal 2 : cible de Faraday

Signaux de l ’oscilloscope

Comparaison du courant d’obscurité : Mars 99 / November 00Icc=Ip=Is= 0 A

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 10 20 30 40 50

04/03/99

02/11/00

Champ accélérateur crête [MV/m]

D’où vient le courant d’obscurité?

• Visualisation du courant d’obscurité et du photo-courant à z 6.5 m

Contour de la photo-cathode

MESURES DE L’EFFICACITE QUANTIQUE

Q [nC] = Charge du paquet mesurée avec un ICT ( à z=0,6 m )

E [µJ] = Energie de l ’impulsion UV incidente mesurée avec un mesureur d ’énergie.

Nombre d ’électrons transmisNombre de photons incidents

• EQ = 0, 47 Q [nC]

E [µJ]

• Nous avons utilisé depuis 2 ans la même photo-cathode dans le canon HF sans détérioration de son efficacité quantique (0,5 - 4 %).

Mesure de la charge maximale extraite du canon HF. = 1.3 mm, z = 10.8 ps FWHM, Eo = 35 MV/m, Icc=Ip=Is= 220 A

0

1

2

3

4

5

6

0

1

2

3

4

5

6

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5Energie laser sur la photo-cathode [µJ]

MESURES DE L’EMITTANCE TRANSVERSE

Q = Charge par paquet (Energie laser) r = Dimension transverse du faisceau laser z = Dimension longitudinale du faisceau laser

E0 = Champ crête dans le canon HF 0 = Phase d’injection Icc, Ip, Is = Courant dans les solénoïdes

Ecc = Champ accélérateur dans la cavité de capture cc = Phase de la cavité de capture

Laser

Canon HF

Cavité decapture

• Le photo-injecteur est un ensemble à 8 paramètres libres :

• But: Déterminer, pour une charge Q donnée, l’ensemble des paramètres donnant l’émittance transverse minimimun (chicane “dégaussée”).

• Comment mesure-t’on l’émittance transverse : par la méthode des fentes

Lnéchantillo

faisceaufaisceaufaisceauNu

'

,

L

• Ouverture des fentes : 50 µm• Epaisseur des fentes : 6 mm• Espacement entre fentes : 1mm

faisceau

néchantillo

~ 15 m

Spectromètre

Doublet Triplet Triplet Triplet

Canon HF et solénoïdes

Localisation des fentes pour les mesures de l’émittance

z ~ 3.8 mEx

~ 9.5 mEx et Ey

~ 6.5 mEx et Ey

Chicane

Cavité supraconductrice

10

20

30

40

50

60

70

0 2 4 6 8 10 12

mradmm7.11mm384

m8.70mm8.1

511.018'

,

faisceaufaisceauNu

80

100

120

140

160

0 2 4 6 8 10 12 14 Position [mm]Position [mm]

mm8.1faisceau

m8.70 néchantillo

Inte

nsit

é [

u. a

.]

Inte

nsit

é [

u. a

.]

Exemple: mesure de l’émittance d’un faisceau de 8 nC à z~3.8 m, échantillons à z = 384 mm

FAISCEAU X3 ECHANTILLONS X4

Ecc = 12 MV/m cc = minimum de dispersion en énergie z = 10.8 ps FWHM

1/ Pour une charge Q fixée, nous avons déterminé l’ensemble de 4 paramètres (0, E0, Isol, r) qui donne l’émittance transverse minimum à z = 3.8 m.

2/ Puis nous avons mesuré, pour un faisceau de charge 1 nC et 8 nC l’émittance à z = 6.5 m et z = 9.4 m.

3/ Nous avons comparé les mesures avec 2 codes de simulation PARMELA (V5.03 du LAL-Orsay, B. Mouton) Code connu, execution lente (~15 Heures). HOMDYN ( HTWA21 de Frascati, M. Ferrario) Code nouveau, execution rapide (~2-3 minutes).

Comment a-t’on procédé pour les mesures de l’émittance ?

PARAMETRES FIXES

Emittance Vs. Phase d ’injection ø0 (z = 3.8 m)Q = 1 nC, Eo = 35 MV/m, = 0.8 mm

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

0

100

200

300

400

500

600

-100 -50 0 50 100 150 200 250 300

Charge portée à 1 nCEnergie laser constante

Transmission avant l'expérienceTransmission après l'expérience

Phase d'injection 0 [Deg]

Q = 0.4 nC

Q = 0.8 nC

Q = 0.5 nC

0

10

20

30

40

50

140 160 180 200 220 240 260 280Courant dans les solénoïdes ( I

cc=I

p=I

s ) [A]

E0 = 30 MV/m E

0 = 35 MV/m E

0 = 40 MV/m

mesure

simulation HOMDYN

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

Min Emit à 0.5 mm, 260 A

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

0

5

10

15

20

180 200 220 240 260 280

x = 1.0 mm

x = 0.8 mm

x = 0.5 mm

Courant dans les solénoïdes ( Icc

=Ip=I

s ) [A]

Comparaison Mesure / HOMDYN / PARMELA

Cas Q = 1 nC, = 0.5 mm

0

5

10

15

20

180 200 220 240 260 280 300

mesure ( x = 0.5 mm)

simulation HOMDYN

simulation PARMELA

Courant dans les solénoïdes ( Icc

=Ip=I

s ) [A]

Comparaison Mesure / HOMDYN / PARMELA

Cas Q = 8 nC, = 1.6 mm

10

20

30

40

50

60

70

80

180 200 220 240 260 280 300 320

mesure ( x = 1.6 mm)

simulation HOMDYN

simulation PARMELA

Courant dans les solénoïdes ( Icc

=Ip=I

s ) [A]

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.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 2 4 6 8 10 12 14

mesure

simulation HOMDYN

simulation PARMELA

Charge [nC]

Enveloppe d ’un faisceau de charge Q = 1 nC ø0 = 40 deg, Eo = 40 MV/m, = 0.8 mm, Icc=Ip=Is= 255 A

Q3 = 1.32 A, Q4 = -2.42 A, Q5 = 1.32 A.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 2 4 6 8 10 12

mesure (x)

mesure (y)

simulation HOMDYN (x)

simulation HOMDYN (y)

simulation PARMELA ( x)

simulation PARMELA ( y)

Position longitudinale [m]

Premier triplet

6.5 m 9.4 m

Enveloppe d ’un faisceau de charge Q = 8 nC ø0 = 40 deg, Eo = 40 MV/m, = 1.6 mm, Icc=Ip=Is= 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.

0

2

4

6

8

10

0 2 4 6 8 10 12 14

simulation HOMDYN (x)

simulation HOMDYN (y)

simulation PARMELA ( x)

simulation PARMELA ( y)

Position longitudinale [m]

6.5 m 9.4 m

Premier triplet

Second triplet

Emit. Norm. Y Z [m] HOMDYN PARMELA

3.8 11 40.76.5 12.5 39.16.5 9.7 40.59.4 8.5 39.39.4 16.4 41.2

10.0 ± 0.1

11.6 ± 0.5

8.9 ± 0.714.4 ± 0.5

18.3 ± 0.9

Z [m] Mesure HOMDYN PARMELA3.8 1.7 9.26.5 1.7 9.16.5 1.4 9.29.4 1.6 9.69.4 0.9 9.6

4.1 ± 0.3

5.0 ± 0.2

5.1 ± 0.26.8 ± 0.2

5.8 ± 0.2

CAS Q = 1 nC

CAS Q = 8 nC

Emit. Norm. Y

Emit. Norm.. X

Emit. Norm. YEmit. Norm. X

Emit. Norm. Y

Emit. Norm. X

Emit. Norm. YEmit. Norm. X

Emit. Norm. Y

Mesure

Emittance transverse le long de la ligne de transport.

MESURES DE LA LONGUEUR DES PAQUETS

• Principe : - Utilisation d’une caméra à balayage de fente HAMAMATSU de 1.8 ps de résolution - Ecran RTO à z = 6.5 m + système optique (2 m)

Caméra à balayage de fente

Ecran RTO

18

20

22

24

26

28

30

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4127.5

128

128.5

129

129.5

130

130.5

131

131.5

0 20 40 60 80 100

ps17.0stat

ps55.2decl

Temps [ps] Temps [ps]

Inte

nsit

é [

u. a

. ]

Inte

nsit

é [

u. a

. ]

MODE STATIQUE MODE DECLENCHE

mm0.76ps54.2217.0255.222 statdeclt

Exemple: Mesure de la longueur de paquets de charge 8 nC à z~6.5 m.

Longueur de paquets Vs. Charge ø0 = 40 deg, Eo = 40 MV/m, = 2.1 mm, z = 10.8 ps FWHM

Icc=Ip=Is= 240 A

0

1

2

3

4

5

0 2 4 6 8 10 12

mesure

simulation HOMDYN

simulation PARMELA

Charge [nC]

P>Po

P=Po

P<Po

PRINCIPE DE COMPRESSION AVEC LA CHICANE

Po

QUEUEP>Po

TETEP<Po

QUANTITE DE MOUVEMENT QUANTITE DE MOUVEMENT

PHASE PHASE

Compression Vs. Phase de la cavité de captureQ = 8 nC, ø0 = 40 deg, Eo = 40 MV/m, = 2.1 mm, z = 10.8 ps FWHM

Icc=Ip=Is= 240 A

6mm5.0

mm3ncompressiodeRapport

0

1

2

3

4

5

6

-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30

mesure

simulation HOMDYN

simulation PARMELA

Phase de la cavité supraconductrice [Deg]

Minimun de dispersionen énergie

0

5

10

15

20

25

30

35

0 2 4 6 8 10 12

x,n

y,n

Position longitudinale [m]

chicaneentrée sortie

SIMULATION HOMDYNVariation d’émittance le long de la ligne de transport

pour un faisceau comprimé de charge Q = 8 nC.

• Rayonnement Synchrotron Cohérent (Etude en cours au CTF DU CERN)

Avant compression

Impulsions laser FWHM

Impulsions laser RMS

Phase d’injection

Champ accélérateur crête ds le canon

Emittance transverse RMS norm.

Dispersion en énergie

Longueur des paquets

Courant crête

Après compression

Longueur des paquets

Courant crête

Q = 1 nC Q = 8 nC

Prédiction Mesure Prédiction Mesure

8 ps 10.8 ps 28 ps 10.8 ps

0.7 mm 0.8 mm 1.5 mm 1.6 mm

45° 40° 45° 40°

35 MV/m 40 MV/m 35 MV/m 40 MV/m

2.5 mm-mrad

1.2 %

1.27 mm

80 A

3.02 mm-mrad

1 mm

120 A

3.7 ± 0.1 mm-mrad

0.25 ± 0.02 %

1.6 ± 0.1 mm

75 A

non-mesuré non-mesuré

0.55 ± 0.07 mm

218 A

4.2 %

4.3 mm

276 A

11 mm-mrad

15 mm-mrad

1 mm

958 A

0.55 ± 0.05 mm

1741 A

330 A

2.9 ± 0.2 mm

12.6 ± 0.4 mm-mrad

0.38 ± 0.02%

Comparaison Prédiction (Parmela, Fermilab 1994) et Mesure (1999 2001)

CONCLUSIONS

Emittance transverse RMS norm.

CONCLUSIONS (suite et fin)

• Etudes futures possibles:

- Poursuivre les études du courant d’obscurité (origines)

- Poursuivre l’étude de l’optimisation de l’émittance transverse d’un faisceau non-comprimé (impulsion laser de 20 ps FWHM).

- Mesurer et optimiser l’émittance d’un faisceau comprimé.

- Comprendre le désaccord entre PARMELA et les mesures. - Poursuivre les expériences en cours (Accélération de particules dans un plasma).