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J. L. Revol au nom de la Division Accélérateur et Source, ESRF 15 Octobre 2013 Actuelle DBA lattice Future7 bend lattice Status de l’ESRF

Status de l’ESRF

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Future7 bend lattice. Status de l’ESRF. Actuelle DBA lattice. J. L. Revol au nom de la Division Accélérateur et Source, ESRF. 15 Octobre 2013. European Synchrotron Radiation Facility. Source de lumière de 3ème génération Localisation : Grenoble, France Participants :19 pays - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Status de l’ESRF

J. L. Revol au nom de la Division Accélérateur et Source, ESRF

15 Octobre 2013

Actuelle DBA lattice

Future7 bend lattice

Status de l’ESRF

Page 2: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 - Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 2

Source de lumière de 3ème génération Localisation : Grenoble, FranceParticipants : 19 paysBudget annuel : 100 millions €Personnel : 600Premiers utilisateurs : 1994

Energie 6.04 GeV

Multibunch current 200 mA

Emittance Horizontale 4 nm

Emittance Verticale 4 pm

• Circonférence de l’anneau de stockage => 844 m

• Optique DBA• 32 sections droites• 42 Lignes de lumière

(dont 12 aimants de courbure)

European Synchrotron Radiation Facility

10 Hz Booster

Synchrotron

200 MeV Electron

Linac

Disponibilité : 98.83 %Temps moyen entre 2 pannes : 77.7 heures

Moyenne au cours des 4 dernières années

• Plus de 6000 utilisateurs/an• 1800 publications chaque année

Page 3: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 3

2008 2009 2010 2011 2012 201390%

91%

92%

93%

94%

95%

96%

97%

98%

99%

100%

98.30%99.04% 98.78% 98.91% 98.58% 98.69%

1.70%0.96% 1.22% 1.09% 1.42% 1.31%

Disponibilité de l’Accélarateur de 2008 à 2013

Années

% d

e di

spon

ibili

Record deL’ ESRF

En progrès

Performances opérationnelles depuis 2008

> à 98.6 % !

Page 4: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 4

2008

2009

2010

2011

2012

2013

0

20

40

60

80

100

64.5

75.8

67.5

107.8

60.0

69.4

1.1 0.7 0.8 1.2 0.9 0.9

Temps moyen entre 2 pannes au cours des annéesH

eure

s

Temps moyen

par panne

Record de l’ ESRF

En cours

Performances opérationnelles depuis 2008

Page 5: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 5

Performances opérationnelles depuis 2010

MODES DE REMPLISSAGE A L’ESRF EN 2013

Page 6: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 6

@ Phase I (de 2009 à 2015)

8 nouvelles lignes de lumièreExtension du hall expérimentalRénovation de plusieurs lignes de lumière existantesEvolution de l’instrumentation scientifique de

rayonnement synchrotron

Evolution de la source de rayonnement X pour améliorer la disponibilité, la capacité et la brillance

“The Upgrade Programme”

@ Phase II (de 2015 à 2019)

4 nouvelles lignes de lumièreEvolution de l’instrumentation scientifiques et des

installations de support

Augmenter la brillance et la cohérence de la source mise en oeuvre d’une optique faible émittance

émittance horizontale réduite de 4nm à 150pm

Projet approuvé par le Conseil de l’ESRF en Novembre 2012L’étude technique de la conception est due pour Juin 2014

Travaux de constructions

intensifs sur le site

Page 7: Status de l’ESRF

“Accelerator Upgrade Phase I”

• Mise à niveau des électroniques des BPM• Amélioration de la stabilité du faisceau• Réduction du couplage

• Allongement à 6 mètres des sections droites• Ondulateurs Cryogenic sous vide• Allongement à 7 mètres des sections droites

• Nouveaux émetteurs RF SSA• Nouvelles cavités RF

• Opération en mode Top-up

• Etudes sur la réduction de l’émittance horizontale

7Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

Fait Fait (4pm)

Fait (2 CPMUs) Fait (1)

Fait pour le booster 3 prototypes en test

Fait (4 )

Projet en cours

TDS en cours

7 mètres ID23

6 mètres canted ID16

7 metre ID23

Fait

CPMU

Single cell HOM damped cavity

SSA

Cellule standard

Page 8: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 8

Nouveau système de correction d’orbite

• Système unique de DC à 200 Hz• 224 Libera BPMs• 96 correcteurs intégrés dans les sextupoles

(jusqu’à 200 Hz)• Nouvelles alimentations• Opération 10 kHz

• Amélioration de la correction des perturbations d’orbite induites par les changements de gap des onduleurs

8 mn

ID11

ID17

ID27

Feedback OFF

2.5 mm

0.9 mm

@ stabilité sub mm régulièrement obtenu en V@ stabilité mm régulièrement obtenu en H

rmsCell1

Cell32

224

liber

a B

PM

Horizontal OFF

Horizontal ON

Vertical OFFVertical ON

Page 9: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 9

Allongement à 6 mètres des sections droites

• 6 m section no canting• ID18, ID14, ID1, ID32 ID31, ID15• ID 24 & ID20 full 6m operational with 4

carriages

• 6 m Large Angle canting• ID30 (±2.2 mrad )• ID16 (±2.7 mrad )

Pas de changement d’optiqueNouvelles chambres à videModification du câblage et de la tuyauterieModification des têtes de lignes pour le canting

c c cc

cc

6173 mm ID chamber

ID16

Page 10: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 10

Ondulateur cryogénique à aimant permanent

Paramètres• Période: 18 mm• Gap: 6 mm• Champ maximum : 1 T • Erreur de phase : 3°RMS• Fonctionnement à 145 K

Prochaine étape• Période plus courte (14 mm)• Aimants : PrFeB à 77 K

Spectre mesuré sur ID11 (G. Vaughan, J. Wright) Et calculé à partir de mesures magnétiques (J. Chavanne)

Installés en Janvier 2012

Support de Joël Chavanne , Gaël LeBec

Gain pour le flux du photon~ 2 @ 60 keV,

~3 au-dessus de 90 keV versus un IVU 22

conventionnel

Page 11: Status de l’ESRF

SY: Booster Synchrotron

4 Waveguide switches to 4 water loads

2 five-cell cavities x 2 couplers

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 11

Emetteurs RF

Remplace l’émetteur 352.2 MHz 1.3 MW à base de klystron du boosterSYRF prêt pour le mode TopUp, (puissance électrique réduite de 1200 à 400 kW).

But : Prévenir l’obsolescence des klystronsPréparer les futures mises à jour

Booster RF : 4 amplificateurs solid state de 150 kW en fonction depuis Mars 2012 Mise en service sans difficultés en un temps limité, grande fiabilité pour l’opération. 75 kW tower of

128 RF modules

150 kW - 352.2 MHz amplificateurs à semi-conducteurs pour le boosterEfficacité: > 55 % à la puissance nominale

3 SSA pour le SR: Alimente 3 nouvelles cavités HOM damped de

L’anneau de stockage: 1st SSA alimente 1 cavité en Août 2013 Prochains SSA: Décembre 2013, Mars 2014

Page 12: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 12

1st HOM damped cavity (Research Instruments)

2ème cavité livrée par SDMS

3 prototypes livrés :2 testés individuellement avec le faisceau et maintenant installés en cellule 23 Une en test de puissance RF

3ème cavité livrée par CINEL

1ère cavité livrée par Research Instrument

Les cavités 1&2 sont installées en C23

Cavité mono cellule cuivre avec HOM attenués

14 cavités commandées

Nominal 0.5 MV, Max 0.75 MVValidés dans toutes les conditions du faisceau

Page 13: Status de l’ESRF

13

Test of mini beta optics during first half of 2013

Two Mono-cell cavities installed in August 2013

Opérationnelle en Janvier 2013

Redistribution des cavités RF en vue d’ installer des onduleurs à la place des RF actuelles.

Create 2 lower vertical beta points to reduce the in-vacuum undulator gap from 6 to 4 mm

Allongement à 7 mètres d’une section droite

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

Page 14: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 14

Projet de fonctionnement en mode Top Up

Pour : Réduit la variation de charge thermique sur les optqies de la ligne de lumière

Améliore la stabilitéContre: Augmentation du nombre d’injections

Perturbe la stabilité@ Etude comparative de l’opération en “Top-up” à :ESRF/ APS/ SPRing8/ PETRA/ SOLEIL/ DIAMOND/ BESSY/ ELETTRA/ ALBA /SLSLe «Top-up » est multi-paramètres => nombreuses différences entre les instituts !

@ L’ESRF à développé une grande d’expertise dans la conception des optiques et pour l’agencement des lignes de lumière afin de gérer la variation de la charge thermique.

@ La plupart des sources de RS fonctionnent en mode Top Up sauf l’ESRF

Testé en Septembre 2013 avec les utilisateurs afin de

déterminer le débit d’injection optimal.

Nominal decay with vertical beam blowup to increase lifetime

Le TopUp sera très bénéfique pour les modes de fonctionnement en structure temporelle qui sont pénalisés par la faible durée de vie.

Page 15: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 15

“Accelerator Upgrade Phase II”

• Réduire l’émittance d’équilibre horizontale de 4nm à moins de 200pm• Maintenir les sections droites existantes et surtout les lignes de lumière• Maintenir les sources sur les aimants de courbure• Préserver le fonctionnement en structure temporelle et un courant nominal de 200mA• Réutiliser l’injecteur actuel• Réutiliser le plus possible le matériel existant• Minimiser les pertes d’énergie par rayonnement synchrotron• Minimiser les coûts de fonctionnement, principalement la puissance électrique• Limiter le temps d’arrêt de la machine pour l’installation et la mise en service

(durée totale d’environ 1 an)

Réduire l’émittance horizontale est une demande récurrente des utilisateurs de l’ESRF… avec la contrainte non négligeable de réutiliser le même tunnel et les mêmes infrastructures. Grâce aux efforts internationaux pour développer des anneaux de stockage ultimes, l’ESRF ré-aborde la question avec les conditions suivantes :

Present DBA lattice

Future7 bend lattice

Page 16: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 16

Dipole Dipole

X

Trajectoire idéale du faisceau d’électrons

Pourquoi l’émittance horizontale est non nulle?

Introduction de la faible émittance de l’optique

Support d’A Franchi

Page 17: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 17

Dipole Dipole

X

Support d’A Franchi

Trajectoire d’un électron qui a émis du rayonnement synchrotron dans le premier dipole

(énergie plus basse que l’énergie nominale plus forte déviation)

Introduction de la faible émittance de l’optique

Pourquoi l’émittance horizontale est non nulle?

Page 18: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 18

Dipole DipoleQuad Quad Quad

X

Support d’A Franchi

Corrigée par les aimants quadrupoles

Introduction de la faible émittance de l’optique

Pourquoi l’émittance horizontale est non nulle?

Trajectoire d’un électron qui a émis du rayonnement synchrotron dans le premier dipole

(énergie plus basse que l’énergie nominale)

Page 19: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 19

Dipole DipoleQuad Quad Quad

X

Support d’A Franchi

Trajectoire de deux électrons qui ont émis du rayonnement synchrotron (et qui ont une énergie différente)

Introduction de la faible émittance de l’optique

Pourquoi l’émittance horizontale est non nulle?

Page 20: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 20

Dipole DipoleQuad Quad Quad

Sextu Sextu Sextu

X

Support d’A Franchi

Corrigée par les aimants sextupoles

Introduction de la faible émittance de l’optique

Pourquoi l’émittance horizontale est non nulle?

Trajectoire de deux électrons qui ont émis du rayonnement synchrotron (et qui ont une énergie différente)

Page 21: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 21

Dipole 1 Dipole 2

X

Support d’A Franchi

3 électrons entrants à énergie et trajectoire nominale

Trajectoire après l’émission des

photons

À la fin de la cellule : Vitesse horizontale non nulle

et dispersion en energie Émittance non nulle

Introduction de la faible émittance de l’optique

Page 22: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 22

Dipole 1 Dipole 2 Dipole 3

X

Support d’A Franchi

Plus de dipoles plus faibles, focalisation plus forte, sextupoles plus puissants

émittance horizonale plus basse

Comment réduire l’émittance horizontale ?

Introduction de la faible émittance de l’optique

Page 23: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 23

Dipole 1 Dipole 2 Dipole 3 Dipole 4

X

Support d’A Franchi

Comment réduire l’émittance horizontale ?

Introduction de la faible émittance de l’optique

Dipoles plus faibles, focalisation plus forte, sextupoles plus puissantsémittance horizonale plus basse

Page 24: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 24

L’optique de l’ESRFEmittance basse :Optimization de e\bx and x dans les dipoles (ou est genere le rayonnement synchrotron)bx: envelope functionx: dispersion

• Augmenter le nombre de cellules circonférence plus large

• Mettre plus de dipoles par cellulemachine très compacte

Réduction de l’émittance grand nombre d’aimants de déviation

3

2

)(NELatticeFx e

Optimisation de la lattice

Energie

Nombre de dipoles identiques

Page 25: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

• ESRF 2BA• PETRA III 2BA

• NSLS II 2BA• MAX IV7BA• Sirius 5BA• Spring-8 6BA• ESRF 7BA

Performance des anneaux de stockage(sources actuelles et futures)

Émittance horizontale

4000 pm – 6 GeV, Opérationnel1000 pm – 6 GeV, Opérationnel~350 pm – 3 GeV, construction~300 pm – 3 GeV, construction~250 pm – 3 GeV, au programme ~70 pm – 6 GeV, au programme~150 pm – 6 GeV, au programme

Augmentation presque linéaire de la luminosité jusqu’à 50-100 pmPour des émittances plus faibles, le gain devient moins linéaire à cause : - de la limite de diffraction - du ‘’’mismatch’ du faisceau d’électrons et du faisceau de rayonnement X

Sources de lumière de faible émittance

25

Page 26: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 26

Tendance des anneaux faible émittance

Ouverture plus petite

Page 27: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 27Bleu: Dipoles Rouge: Quadrupoles Vert: sextupoles

Optique faible émittance pour l’ESRF

Present ESRF latticeDouble Bend AchromatEx = 4 nm.rad

Proposed hybrid 7 bend lattice Ex = 150 pm.rad

@ 7 aimants de courbure D1to7

réduisent l’émittance horizontale

@ L’espace entre D1-D2 and D6-D7 β-fonctions et dispersion plus grandes correction de la chormaticité avec des sextupoles plus efficaces

@ Dipoles D1, D2, D6, D7 champ longitudinalement variable pour réduire encore l’émittance

@ Partie centrale alternant:dipole-quadrupoles combinés D3-4-5

quadrupoles á fort champs de focalisation

@ D4 (0.34T) and D5 (0.85T) Point de source pour le faisceau BM

(modification du point source)D1 D2 D6 D7D3 D4 D5

20

20

60

Page 28: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 28

Proposed hybrid 7 bend lattice Ex = 150 pm.rad

@ 2 quadrupoles de chaque côté de la section droite Fourni au centre :

bx = 4.3 mbz= 2.58 m

@ Cellule d’injection spéciale avec un plus grand bx

• Avance de phase totale identique , même configuration sextupole réduire la perte de symétrie de l'optique• 2 kickers avec une avance de phase de π • Pas de sextupole à l’intérieur du ‘’bump’’ d’injection aucune perturbation du faisceau stocké @ Ouverture dynamique proche de la présente optique Permet d’utiliser le même injecteur

Injection section

Optique faible émittance pour l’ESRF

Page 29: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 29

Brillance obtenue avec une faible émittance H

E = 6.04 GeVI = 200 mA

Hor. Emittance [nm] 4 0.15

Vert. Emittance [pm] 3 2Energy spread [%] 0.1 0.09

bx[m]/bz [m] 37/3 3.4/2.8

x 30

Page 30: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 30

Hor. Emittance [nm] 4 0.15

Vert. Emittance [pm] 3 2

Energy spread [%] 0.1 0.09bx[m]/bz [m] 37/3 6/2

E = 6.04 GeVI = 200 mA

x 30x 4

Cohérence obtenue avec une faible émittance H

Page 31: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 31

Défis technique: le système d’aimants

Quadrupoles à gradient élevé 100 Tm-1

• Spec:100 T/m x 335 mm• Bore radius: 11 mm • Longueur mécanique : 360 mm• 1-2 kW Quadrupoles

Environ 60Tm-1

Dipole et quadrupoles fonction combinées0.85 T / 45 Tm-1 & 0.34 T / 50 Tm-1

Sextupoles200mm1500 Tm-2

Dipole á aimant permanent (Sm2Co17) gradient longitudinal 0.16 0.6 T, gap magnétique de 22 mm2 mètres de long, 5 modulesAvec une petite bobine de reglage de 1%

D1

D2

D6

D7

D3D4

D5

Page 32: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 32

Status de la conception des aimants• Dipole, quadrupole, sextupole et octupole : sont bien avancés• Dipole-quadrupole combinés : en progrès• Réalisation de prototypes en cours

Module dipole PM Quadrupole à gradient élevé Octupole Sextupole

Défis technique: le système d’aimants

Page 33: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 33

@ Efficacité énergétique de la source : 30% de réduction de la consommation en puissance du SR Augmentation de l’’efficacité de production du champ magnétique systèmes RF adaptés à la réduction des pertes par tour de 5.4 à environ 3.8 MeV/tour, incluant 0.5 MeV ID radiation

La nouvelle optique est plus sensible aux instabilités multibunch longitudinales (facteur deux). Utilisation de 14 HOM-damped single-cell cavities développées durant la phase 1.

@ Vide: Faible conductance due á la petite ouverture des chambresChambres principales en acier inoxydable avec du NEG coating et du pompage localisé Absorbeurs distribué pour collecter le rayonnement produit par les dipoles

@ La conception mécanique est très complique a cause de la compaticitéseulement 3.4 mètre de tube de glissement par cellule au lieu des 8m actuel

Défis technique: la compacité

Page 34: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 34

Mise en oeuvre

Present DBA lattice

Future7 bend lattice

Utilisation ensuite du hall pour de futures lignes de lumières et des installations de support.

@ Extension du hall expérimental pour fournir 2500m² de capacité de stockage et de préparation

@ Démontage et reconstruction de l’anneau de stockage entier pendant environ 9 mois dans 3 zones de travail parallèles + 3 mois de test et de mise en service.

Page 35: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 35

Road map

Budget : 100 M€ Construction et mise en service de la nouvelle optique

10 M€ Extension du hall expérimental 20 M€ Construction de 4 nouvelles lignes de lumière20 M€ Instrumentation et installations de soutien

Programme :◊ Nov 2012 Rapport préliminaire

Nov 2012- Nov 2014 Etude technique détaillée◊ Nov 2014 Décision du Conseil

Jan 2015 – Août 2018 Conception détaillée et approvisionnement ◊ Fin 2016 Préparation et disponibilité du bâtiment de stockage

Août 2018– Août 2019 Arrêt de la machine pour installation et mise en service ◊ Automne 2019 Retour opérationnel

TDS en cours

Fait

9 groupes de travail définis pour leTDS :WP1: Dynamique de faisceau

WP2: AimantsWP3: Transport des éléctrons et photonsWP4: AlimentationsWP5: RadiofréquenceWP6: Mise en œuvreWP7: Diagnostic et control du faisceauWP8: Source de photon

WP9: Mise à niveau de l’injecteur

Page 36: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 36

Present DBA lattice

Future7 bend lattice

Conclusion

Grâce à l’expertise acquise grâce à la phase 1, et aux efforts internationaux pour développer des anneaux de stockage proche de la limite de diffraction,

L’ESRF Upgrade Phase II sera une excellente opportunité pour :• Augmenter considérablement la luminosité de notre source de lumière

avant 2020

Mais aussi : • Améliorer l’expertise scientifique et techniques des sources de lumière sur

anneaux de stockage• Développer de nouvelles technologies• Fournir un important “savoir faire” pour obtenir de meilleures performances

pour les futures sources de lumière

Page 37: Status de l’ESRF

Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 37

Merci pour votre attention

Present DBA lattice

Future7 bend lattice