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
SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 2
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
SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 3
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
SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 4
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
SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 5
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)
SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 6
Bâti photocathode et photoinjecteur
SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 7
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
SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 8
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
SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 9
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
SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 10
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
SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 11
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
SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 12
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
SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 13
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
SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 14
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
SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 15
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
SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 16
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
SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 17
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
SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 18
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
SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 19
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.
Top Related