Plan Historique du rayonnement synchrotron Figures de m érite Accroissement des performances

Journées Accélérateurs Roscoff, 9-12 Octobre 2005 [email protected]

Revue et perspectives des sources Revue et perspectives des sources de rayonnement synchrotron en de rayonnement synchrotron en

France et dans le mondeFrance et dans le mondeA. Ropert, ESRF, GrenobleA. Ropert, ESRF, Grenoble

PlanHistorique du rayonnement synchrotronFigures de mériteAccroissement des performances

Réduction d’émittance Augmentation du courant Eléments d’insertion

Qualité du faisceauConclusions


Le rayonnement synchrotron Le rayonnement synchrotron dans le monde (1)dans le monde (1)

1947: Première observation

1950-1960: 1ere génération d’anneaux de stockage

Années 70: 2eme génération

Utilisation parasite des synchrotrons de physique

des hautes énergies

Premiers anneaux dédiés

Années 90: 3eme génération• Anneaux basés sur l’utilisationd’aimants d’insertion• Très petites tailles de faisceau



SOLEIL

ESRF

50 sources en opération11 en construction10 en projet



L’énergie des anneaux de stockage est liée au domaine spectral à couvrir

ultraviolet et ultraviolet et rayons X mousrayons X mous

rayons X dursrayons X durs

rayons X durs grrayons X durs grââce au développement de la ce au développement de la technologie des aimants d’insertiontechnologie des aimants d’insertion


Figures de mFigures de mérite des sources érite des sources de 3de 3emeeme génération génération

Brilliance

€

B = nombre.de.photons / sσ x ′ σ xσ z ′ σ z

f(E,entrefer,champ)

Emittance des photons

Intensité du faisceau stocké

Elément d’insertion

Qualité de faisceau: Stabilité en positionDurée de vieFiabilité


BrillianceBrilliance

ESRF

SOLEIL


RRéduction de l’émittance (1)éduction de l’émittance (1)

€

εX = Ee2

Jx

1Ndipoles

3 fmaille

Energie Nb dipoles EmittanceESRF 6 GeV 64 3.7 nm

SOLEIL 2.75 GeV 32 3.7 nm

2eme génération: εx ~ 100 nm3eme génération: εx ~ 1 - 10 nmEmittance ultime: εx ~ / 4 à 1 Å)

dispersion

Double Bend Achromat

x


RRéduction de l’émittance (2)éduction de l’émittance (2)

Réduction de l’angle de déviation par dipoleDipoles à champ magnétique variable le long de la trajectoire des particulesUtilisation de ’damping wigglers’

Etudes en cours à l’ESRF Anneau de 844 m en remplacement de l’anneau existant donnant une emittance de 1 nm Anneau de 1400 m avec une émittance de 0.2 nm


Challenges induitsChallenges induits par par une très petite émittanceune très petite émittance

Faible émittance

Grand nombred’aimants Large

circonférenceGradients

élevés

Réduction del’entrefer

Augmentation de l’impédance

Forts sextupoles de chromaticité Petite ouverture

dynamique

Plus grande stabilité en position

Faible dispersion dans les dipoles

Injecteur à petite émittance

Prix élevé

Feedback compliqué

Conception des chambres à vide


Augmentation du courant (1)Augmentation du courant (1)

Exemple de l’ESRF

1992 100 mA

1996 200 mA

2008 300 mA

? 500 mA



Charge thermique sur l’anneau (chambres à vide, absorbeurs) et sur les lignes de lumièreInstabilités multipaquet induites par les modes d’ordre supérieur des cavités

ALS

Limitations



Solutions Utiliser des cavités RF exemptes de HOMs

Utiliser des systèmes de feedback

Prototype SOLEIL dans le tunnel de l’ ESRF

Technologie des cavités supraconductrices

Prototype de la cavité européenne à DELTA

Cavités « chaudes » avec amortissement des HOMs


ElEléments d’insertion (1)éments d’insertion (1)

Brilliance élevée onduleurs plutôt que wigglersESRF 60 onduleurs, 8 wigglersSOLEIL 26 onduleurs, 1 wiggler

Energies de photons élevées utilisation d’harmoniques élevés

‘shimming ’

P. Elleaume


ElEléments d’insertion (2)éments d’insertion (2)

Energies de photons élevées réduction de l’entrefer magnétique

Aimants dans l’air autour d’une chambre à vide

étroite

±4 mm

Problèmes d’ingiéniérie Technique délicate et onéreuse utilisée massivement par les nouvelles sources à 3 GeV

Aimants sous vide

5 mm à l’ESRF


StabilitStabilité en position (1) é en position (1)

Tout mouvement du faisceau est préjudiciable pour les lignes de lumière

Orbite fermOrbite fermée ée variable dans le variable dans le tempstempsxx

x’x’

Emittance Emittance betatronbetatron

Émittance Émittance effectiveeffective Sources d’instabilité

Déplacement des chambres à vide pendant la décroissance du courantVariation de température du tunnel et du hall expérimental Vibrations du sol amplifiées par les supports d’aimants

Tolérances: 10 % de la taille et divergence

Gamme du m ou du rad


StabilitStabilité en position (2) é en position (2)

SolutionsOptimisation de la conception des supportsStabilisation de la température à ±0.1 °CSystèmes de feedback en position

Feedback ONFeedback ONFeedback OFFFeedback OFF

ESRF


DurDurée de vie (1)ée de vie (1)

Paramètre crucial pour les performancesDurée de vie courte: réduction de la brilliance intégrée

charge thermique non constanteRéduction de l’entrefer des éléments d’insertion

Augmentation de la diffusion sur le gaz résiduelRéduction de l’émittance

Augmentation des collisions à l’intérieur du paquet

Forte dépendance avec l’énergieSOLEIL (2.75 GeV): = 15 h à 500 mAESRF (6 GeV): = 80 h à 200 mA


DurDurée de vie (2)ée de vie (2)

Topping-up opération à l’APS

Solution adoptée par de nombreuses machines: le “topping-up”

Objectif: maintenir le courant stocké constant en effectuant des injections fréquentes


FiabilitFiabilitéé

La plus élevée possible !!

ESRF


ConclusionsConclusions

Avenir brillant pour le rayonnement synchrotron

Rôle croissant de l’utilisation du rayonnement synchrotron dans de nombreux domaines

biologie, médecine, chimie, physique, applications technologiques…

Nombreux projets de sources d’énergie intermédiaireDéveloppements nouveaux comme le ‘femtoslicing’SASE FELs

Documents

Plan Historique du rayonnement synchrotron Figures de m érite Accroissement des performances