SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet1 ELSA Accélérateur délectrons forte charge et faible émittance A. Binet, P. Balleyguier, A

SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 1

ELSA

Accélérateur d’électrons forte charge et faible émittance

A. Binet, P. Balleyguier, A. Bloquet, D. Deslandes,V. Le Flanchec, P. Guimbal, G. Vallart

et JL. Flament, A. Godefroy, H. Leboutet, M. Millérioux

J. Treuffet, S. Brygoo

CEA, Bruyères le Châtel, France


Rappel sur l’origine d’ELSA

ELSA = Etude d'un LaSer Accordable

• 1988 - 93 : conception mise en œuvre d’un Laser à Electrons Libres Validation des choix technologiques et de la physique source LEL IR accordable entre 9 et 35 µm

• depuis 1995 : source de faisceaux d’électrons et de photons pour l’étude de la physique des faisceaux et un grand nombre d’applications

• 2000 - 03 : conception de nouvelles lignes dans une nouvelle aire ………………expérimentale


ELSA: un photoinjecteur et un accélérateur linéaire de 19 MeV

Les composants essentiels sont:

• Un laser très paramétrable • Un photoinjecteur très basse fréquence (144 MHz) ..alimenté par une tétrode de 2.5 MW (TH526) • Un accélérateur linéaire à basse fréquence (433 MHz) capable ..d’accélérer des pulses de forte charge (env. 15 nC) • Un klystron conçu pour fournir des macroimpulsions de 100 à 150 µs ..(TH2118, 6 MW crête, 200 kW moyen) • Un demi-tour assurant une compression magnétique (50 ps/%E) …. courant crête env. 300 A


Schéma d’ELSA

Casemate de 5 m x 12 m : installation compacte

1/2 tour = injection dans la cavité LEL et compression magnétique

L1

L3

Bâti transfertphotocathode

Onduleurpilotable à distance

Coupede

Faraday

Spectromètremagnétique

K0H3

H2

G1

H1 E1

K1 K2 K3

1/2 tournon isochroneachromatique

Photo-injecteur3 MeV 144 MHz

FaisceauL.E.L.

Mesurede

courant

Moniteursde

positionEcran

amovible Quadripôle Déviateur Bobine defocalisation

Accélérateur 16 MeV 433 MHz

Laser pilote(266 ou 532 nm)Diagnostics électrons Transport électrons

Coupede

Faraday

1 m

Cavité optique


Le photoinjecteur d’ELSA

Photocathode Cs3Sb(ou K2CsSb)

Cs2Te

Durée de vie Ultra-vide(10-10 mbar)Plusieurs jours

robuste

Efficacitéquantique

1 to 2 % 5 to 10 %

Longueurd’onde laser

532 nm(KTP)

266 nm(BBO)


Bâti photocathode et photoinjecteur


Structure temporelle

Micro-impulsion19 MeV5 GW 170mJ300 A 10 nC

Macro-impulsion2000 impulsions2,5 MW 350J150 mA

Structure temporelle du faisceau d'électrons d'ELSA

30 ps (10 à 60 ps)

140 µs (0 à 140 ps)(de 1 à 20000 impulsionsavec contrôle par MEOdu laser pilote)

Cycle utile0,14% (Mod-Kly : 1-2%)3,5 kW200 µA

100 ms (100 ms à monocoup)

6,9 ns x N

69 ns


Schéma du laser pilote d’ELSA

Tête Nd:YAGlampe Kr

Pockels1

Ampli 0

Ampli 3 Ampli 2

Ampli 12

Autocorrélateur(8)

Pockels2

1

4

6

7

3 5

VersPhotocathode

CBF

Quantronix ML 416 - 72,22 MHz

Caméra

Compressionoptique

Doublage defréquence

Oscillateur pilote Mise en forme de lamacro-impulsion

Amplificationlumineuse

53

6

7

20 ps20 ps

8

5

réseau

réseau

69 ns

6100 ps

37 W _ 100 nJ 1 W _ 15 nJ 10 mJ10 µJ

70µs

20 p

s

770 µs


Pompage longitudinal par diode laser d’un cristal Nd:YAG ou Nd:YVO4

Verrouillage de mode par SESAM (SEmi-conductor Saturable Absorber Mirror)

Buts :

Stabilité et fiabilitéimpulsions plus brèves (<10 ps), ajustables par Fabry-Perot intra-cavité

Nouvelle tête laser :

petit cristal Nd:YAG cristal (4 x 4 x 6 mm3) pompé longitudinalement par une diode laser fibrée, refroidi par conduction

(pas d’eau = moins de vibration)

Fibre

Miroir arrière de la cavité

Dispositif imageant la sortie de fibre dans le Nd:YAG

Développement d’un nouveau laser pour ELSA


Meilleur contrôle de l’éclairement de la photocathode Meilleure utilisation de la puissance laser Contrôle du profil du faisceau d’électrons pour optimiser

l’émittance

entrée: faisceau gaussien

50 100 150 2000

0.5

1

1.5

"

a.u.

a.u.

Forme asphérique l’excès d’énergie au centre du faisceau est réparti sur les bords

Contrôle spatial du profil transverse du laser

Sortie: faisceau plat obtenu par mis en forme du front d’onde


Plan général de l’installation ELSA

LASER PK

Salle deCommande

Contrôle

1

2

3

5

6

A

B

C

C

Salle Laserou

diagnosticsLEL

ligne 0°

P1E

P1F

P1L

P1C

P1H

L2

ED

7

8 84

4

4

4Klystron

Modulateur

générateur ettransport

RF 433 MHz

générateur ettransport

RF 144 MHzACCELERATEUR : DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX :1. Transfert Photocathodes

2. Cavité RF 144 MHz A. Expérimentations X - 3. Cavités RF 433 MHz B. Expérimentations LEL

4. Cible d'arrêt C. Cavité optique LEL ou exp. X - 5. Demi-tour D. Expérimentations X - 6. Spectomètre et cible d'arrêt E. Expérimentations X - 7. Compresseur magnétique8. Quart de tour


P1C

48060

0

645

Porte lourde

85615,0°

P1E

Nouvelles lignes pour de nouvelles applications

C : Compresseur magnétique

1 : Production d’X durs

2 : Ligne bas bruit ou très forte intensité

1

2

C


Vue de côté:Le compresseur est dans un plan vertical

G1

800 mm

Dipôles alpha

Compresseur magnétique double-alpha

But • Compression temporelle (R56= 3 ns)

• Translation verticale de l’axe du faisceau de 800 mm • Conservation d’une bonne émittance

Dipôle Alpha Gradient de champ constant pour z > 0, Bz= Gx, Bx=Gz et By=0

pour z < 0, B = 0• Achromatique, si incidence = 40,71°• Trajectoires homothétiques en 1/2


Dipôle Alpha

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0 0.1 0.2 0.3 0.4

z (m)

y (m

)

annulation de l’intégrale de champ en sortie (entrefer réglable)

À 10 et 17 MeV : trajectoires dans un gradient de champ constant (1T/m)

Simulation Poisson 2D

emplacement de la bobine inférieure

Acier doux (XC06),

bâton dans la gueule du “croco”(Acier amagnétique 316L)

profil hyperbolique bobineentrefer réglable

Shunt d’entrée


Sensibilité : 0,5 mAPrécision : 100 µmDynamique : 80 dB

Contrôle de la position du faisceau

att

20 dB

att

20 dB

A B

180

0

0

0


t0

emittance:@z=340mm

0.1 nC or 100 nC(or 0.1 nC)

cathodez=0

t0+0.4 ns t0+0.8 ns t0+1.2 ns

(max=266mT) Bz field along axis)

Extraction de fortes charges

Simulation de l’extraction de forte charge sur le photoinjecteur d’ELSA avec MAFIA


Mesures de l’émittance

0

1

2

3

4

5

6

0 2 4 6 8 10 12

Charge (nC)

emitt

ance

n

,rm

s (µ

m)

exp. data

corrected

Mesures de l’émittance transverse par la technique des 3 gradients

• Mesure du profil sur écran à Rayonnement de Transition Optique

• Acquisition de l’image avec une caméra CCD intensifiée (utilisation de la dynamique)

A basse charge, l’émittance rms normalisée mesurée (1 µm) est proche de l’émittance thermique, estimée entre 0,5 et 1 µm pour un rayon de photocathode de 2 mm

• Traitements: soustraction du fond, moyennage, correction de l’effet de la charge d’espace


hybride

piquageampli

pré-ampli90°

90°

100kW 2500kW 2450kW

0kW

50kW

+14 dB

-17 dB

-0.1 dB

cavité

charge

270°

50kW

Un photoinjecteur de 3,7 MeV

Puissance desortie tétrode

Énergie dufaisceau

Actuel 1,3 MW 2,7 MeVBientôt 2,5 MW 3,7 MeV

Principe: appliquer un bouclage réactif sur l’ampli à tétrode

Intérêt:

- augmenter l’énergie du faisceau

- augmenter la charge extractible

- amélioration de l’émittance


Conclusion

ELSA est plus qu’un LEL.

ELSA est utilisé pour la caractérisation et la calibration des détecteurs montés sur les grandes installations de la DAM (AIRIX, LIL et laser MEGAJOULE)

Les développements autour du photoinjecteur doivent permettre des études, sur la physique des faisceaux, de grande qualité.

Documents

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