Etude exprimentale du photoinjecteur de Fermilab

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Etude expérimentale du photo-injecteur de Fermilab
Soutenance de thèse Jean-Paul
Carneiro Laboratoire de lAccélérateur
Linéaire Auditorium Pierre Lehmann Mercredi 23
Mai 2001, 14H00
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Plan de lexposé
1. Introduction 2. Description du
photo-injecteur 3. Expériences Courant
dobscurité Efficacité quantique Emittance
transverse Longueur des paquets 4. Conclusion

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LACCELERATEUR TESLA
4
LACCELERATEUR TESLA TEST FACILITY (TTF)
100 meters
RD effectué par 9 pays et 40 institutions.
Contribution principale de Fermilab à TTF
- Developpement, Fabrication et
Installation du photo-injecteur de TTF.
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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 létude de la dynamique du
faisceau dans un photo-injecteur.
But délivrer du faisceau à TTF.
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PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU PHOTO-INJECTEUR
Bz
Bz
Guide d onde
Solénoïde primaire 2000 G
Solénoïde secondaire 800 G
Bz
Solénoïde de contre-champ 2000 G
Canon HF 1.5 cellules TM010,? 1.3 GHz 40 MV/m
3 MW 5 MeV
Photo-cathode
Paquets d électrons
Miroir
Impulsions Laser UV
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SCHEMA DU PHOTO-INJECTEUR INSTALLE AU FERMILAB
Chambre de préparation des photo-cathodes
Cavité supraconductrice
Cibles de Faraday
Chicane
Doublet
Triplet
Triplet
Triplet
Canon HF et solénoïdes
Spectromètre
15 m
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PARAMETRES DU FAISCEAU
Structure temporelle
Courant moyen
Q 8 nC
8 mA
Temps
800 µs
100 ms
Energie, Emittance (après la cavité
supraconductrice)
Energie totale
17-18 MeV
Emittance normalisée à 1 nC
2-3 mm-mrad
Emittance normalisée à 8 nC
15 mm-mrad
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LASER (Université de Rochester, Etat de New-York)
12 nJ/impulsion 60 ps 1054 nm
2.5 nJ/ /impulsion 400 ps
800 /impulsion 2 nJ/pulse 400 ps
100 µJ/ /impulsion 400 ps
Oscillateur NdYLF 81,25 MHz
2 km de fibre optique
Cellule de Pockels 1 MHz
Amplificateur multi-passages Nd-verre
Amplificateur double-passage Nd-verre
400 µJ/ /impulsion 4,2 ps
20 µJ/impulsion 4,2 ps 263 nm
0.8 mJ/ /impulsion 400 ps
600 µJ/ /impulsion 400 ps
100 µJ/ /impulsion 4,2 ps 532 nm
10 µJ/ /impulsion 10,8 ps 263 nm
Superposeur dimpulsions
Filtrage spatial
Compresseur
Cristaux BBO
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LA CHAMBRE DE PREPARATION DES PHOTO-CATHODES
(INFN-Milan)
Dépôt dune 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 jusquau canon HF.
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LE CANON HF ET LES SOLENOIDES (Fermilab UCLA)
SOLENOIDEDE CONTRE-CHAMP
CANON HF
SOLENOIDE PRIMAIRE
SOLENOIDE SECONDAIRE
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LA CAVITE SUPRACONDUCTRICE (DESY IPN-Orsay)
LA CHICANE (Fermilab)
CRYOSTAT DE LA CAVITE SUPRACONDUCTRICE
CHICANE
Paramètres de la cavité de capture
fonctionne à 12 MV/m sur laxe.
Paramètres de la chicane
4 dipôles de forces égales. fonctionne à 700
Gauss courbe dans le plan vertical Rapport de
compression 5 - 6 (théorie et mesure)
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SECTION A FAIBLE BETA
LENSEMBLE DE LA LIGNE DE FAISCEAU
EXPERIENCE ACCELERATION DANS UN PLASMA
SPECTROMETRE
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MESURES DU COURANT DOBSCURITE
Principe de mesures En utilisant une cible de
Faraday à z ? 0.6 m.
Primaire Ip
Signaux de l oscilloscope
Cible de Faraday
canal 1 puissance incidente dans le canon
HF canal 2 cible de Faraday
Contre-champ Icc
Secondaire Is
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Comparaison du courant dobscurité Mars 99 /
November 00 IccIpIs 0 A
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Doù vient le courant dobscurité?
Visualisation du courant dobscurité et du
photo-courant à z ? 6.5 m

Contour de la photo-cathode
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MESURES DE LEFFICACITE QUANTIQUE
Q nC
Nombre d électrons transmis
0, 47 ?
?
EQ
Nombre de photons incidents
E µJ
Q nC Charge du paquet mesurée avec
un ICT ( à z0,6 m )
E µJ Energie de l impulsion UV
incidente mesurée avec un
mesureur d énergie.
Nous avons utilisé depuis 2 ans la même
photo-cathode dans le canon HF sans détérioration
de son efficacité quantique (0,5 - 4 ).
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Mesure de la charge maximale extraite du canon
HF. ? 1.3 mm, ?z 10.8 ps FWHM, Eo 35 MV/m,
IccIpIs 220 A
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MESURES DE LEMITTANCE TRANSVERSE
Le photo-injecteur est un ensemble à 8
paramètres libres
Laser
Canon HF
Cavité de capture
But Déterminer, pour une charge Q donnée,
lensemble des paramètres donnant lémittance
transverse minimimun (chicane
dégaussée).
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Comment mesure-ton lémittance transverse
par la méthode des fentes
Ouverture des fentes 50 µm Epaisseur des
fentes 6 mm Espacement entre fentes 1mm
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Localisation des fentes pour les mesures de
lémittance
Cavité supraconductrice
z 3.8 m Ex
9.5 m Ex et Ey
6.5 m Ex et Ey
Doublet
Triplet
Triplet
Triplet
Canon HF et solénoïdes
Chicane
Spectromètre
15 m
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Exemple mesure de lémittance dun faisceau de 8
nC à z3.8 m, échantillons à ?z 384 mm
FAISCEAU X3
ECHANTILLONS X4
Intensité u. a.
Intensité u. a.
Position mm
Position mm
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Comment a-ton procédé pour les mesures de
lémittance ?
PARAMETRES FIXES
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Emittance Vs. Phase d injection ø0 (z 3.8 m) Q
1 nC, Eo 35 MV/m, ? 0.8 mm
Q 0.4 nC
Q 0.8 nC
Q 0.5 nC
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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
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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
Min Emit à 0.5 mm, 260 A
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Comparaison Mesure / HOMDYN / PARMELA Cas Q 1
nC, ? 0.5 mm
28
Comparaison Mesure / HOMDYN / PARMELA Cas Q 8
nC, ? 1.6 mm
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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.
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Enveloppe d un faisceau de charge Q 1 nC ø0
40 deg, Eo 40 MV/m, ? 0.8 mm, IccIpIs
255 A Q3 1.32 A, Q4 -2.42 A, Q5 1.32 A.
Premier triplet
9.4 m
6.5 m
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Enveloppe d un faisceau de charge Q 8 nC ø0
40 deg, Eo 40 MV/m, ? 1.6 mm, IccIpIs
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.
Premier triplet
Second triplet
6.5 m
9.4 m
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Emittance transverse le long de la ligne de
transport.
CAS Q 1 nC

Z m
Mesure
HOMDYN
PARMELA
4.1 0.3
Emit. Norm. Y
3.8
9.2
1.7
5.0 0.2
6.5
1.7
9.1
Emit. Norm.. X
6.5
1.4
9.2
5.1 0.2
Emit. Norm. Y
6.8 0.2
Emit. Norm. X
9.4
1.6
9.6
5.8 0.2
9.4
9.6
0.9
Emit. Norm. Y
CAS Q 8 nC
Mesure
Z m
HOMDYN
PARMELA
10.0 0.1
3.8
11
40.7
Emit. Norm. Y
11.6 0.5
Emit. Norm. X
6.5
12.5
39.1
6.5
9.7
40.5
8.9 0.7
Emit. Norm. Y
14.4 0.5
Emit. Norm. X
9.4
8.5
39.3
18.3 0.9
Emit. Norm. Y
9.4
16.4
41.2
33
MESURES DE LA LONGUEUR DES PAQUETS
Principe - Utilisation dune caméra à
balayage de fente HAMAMATSU
de 1.8 ps de résolution -
Ecran RTO à z 6.5 m système optique (2 m)
Ecran RTO
Caméra à balayage de fente
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Exemple Mesure de la longueur de paquets de
charge 8 nC à z6.5 m.
MODE STATIQUE
MODE DECLENCHE
Intensité u. a.
Intensité u. a.
Temps ps
Temps ps
35
Longueur de paquets Vs. Charge ø0 40 deg, Eo
40 MV/m, ? 2.1 mm, ?z 10.8 ps
FWHM IccIpIs 240 A
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PRINCIPE DE COMPRESSION AVEC LA CHICANE
QUANTITE DE MOUVEMENT
QUANTITE DE MOUVEMENT
QUEUE PgtPo
PHASE
PHASE
Po
PgtPo
PPo
TETE PltPo
PltPo
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Compression Vs. Phase de la cavité de capture Q
8 nC, ø0 40 deg, Eo 40 MV/m, ? 2.1 mm, ?z
10.8 ps FWHM IccIpIs 240 A
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SIMULATION HOMDYN Variation démittance le long
de la ligne de transport pour un faisceau
comprimé de charge Q 8 nC.
35
30
e
x,n
e
25
y,n
20
15
Rayonnement Synchrotron Cohérent (Etude en
cours au CTF DU CERN)
10
chicane
entrée sortie
5
0
0
2
4
6
8
10
12
Position longitudinale m
39
CONCLUSIONS
Comparaison Prédiction (Parmela, Fermilab 1994)
et Mesure (1999 ? 2001)
Q 1 nC
Q 8 nC
Mesure
Prédiction
Mesure
Prédiction
Avant compression
Impulsions laser FWHM
8 ps
10.8 ps
10.8 ps
28 ps
1.6 mm
Impulsions laser RMS
0.7 mm
0.8 mm
1.5 mm
45
Phase dinjection
40
45
40
40 MV/m
Champ accélérateur crête ds le canon
35 MV/m
35 MV/m
40 MV/m
Emittance transverse RMS norm.
2.5 mm-mrad
3.7 0.1 mm-mrad
11 mm-mrad
12.6 0.4 mm-mrad
Dispersion en énergie
1.2
0.25 0.02
4.2
0.38 0.02
4.3 mm
Longueur des paquets
1.27 mm
1.6 0.1 mm
2.9 0.2 mm
276 A
Courant crête
75 A
330 A
80 A
Après compression
15 mm-mrad
3.02 mm-mrad
non-mesuré
non-mesuré
Emittance transverse RMS norm.
Longueur des paquets
0.55 0.07 mm
1 mm
0.55 0.05 mm
1 mm
Courant crête
218 A
958 A
1741 A
120 A
40
CONCLUSIONS (suite et fin)
Etudes futures possibles - Poursuivre les
études du courant dobscurité (origines) -
Poursuivre létude de loptimisation de
lémittance transverse dun faisceau
non-comprimé (impulsion laser de 20 ps FWHM).
- Mesurer et optimiser lémittance dun
faisceau comprimé. - Comprendre le
désaccord entre PARMELA et les mesures. -
Poursuivre les expériences en cours (Accélération
de particules dans un plasma).