Les canons RF sur PHIL R. Roux Le 30-01-2013 1. PLAN 1.Canon ALPHAX  X 1.Design HF 2.Dynamique faisceau 3.Tests en puissance 4.Courant d’obscurité 5.Cathode.

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1 Les canons RF sur PHIL R. Roux Le 30-01-2013 1

2 PLAN 1.Canon ALPHAX  X 1.Design HF 2.Dynamique faisceau 3.Tests en puissance 4.Courant d’obscurité 5.Cathode cuivre et magnésium 2.Canon PHIN 1.Design HF et réalisation 2.Dynamique faisceau 3.Tests en puissance 4.Courant d’obscurité 5.Cathode cuivre 3.Comparaison des performances 4.Futur 2

3 1.Canon  X 1.Design HF (Eindhoven)  Durée d ’impulsion = 100 fs  mono paquet, Q = 100 pC  Energie de 6 MeV  Dispersion d’énergie  1 %  Emittance  1  mmmrad E acc = 92 MV/m Iris elliptiques => E s  E z R s = 41 M  m Q = 11000 Couplage électrique coaxial Photo-cathode en cuivre R = 12 mm But: acc. laser-plasma et SASE pour l’université de Strathclyde 100 MV/m => 10 MW 3

4 2.Dynamique faisceau, 2 paramètres très importants: Phi et E acc 100 pC 50 MV/m 100 pC 50 MV/m 100 pC 50 MV/m Attention! Le réglage de phi dépend de E acc Bonnes perfs => phi qui donne E c max augmenter E acc 4 1.Canon  X

5 5 3.Tests en puissance But: monter progressivement la puissance HF stockée dans le canon Le credo: ça doit claquer mais pas trop le vide doit remonter mais pas trop 2009 2010 2011 Conditionnement assez rapide, 2 ou 2 jours à chaque fois, merci les iris elliptiques Record en 2011: 10 MW dans le canon => 100 MV/m! mais pour une courte durée… 1.Canon  X

6 6 4.Courant d’obscurité Courant d’obscurité : produit par effet de champ, amplifié par les pointes Fowler-Nordheim A e est la surface émissive  est le facteur d’amplification du champ électrique dû à l’effet de pointe  est le travail de sortie du métal  = 93 Polie à la main Brut d’usinage  ≈ 30 On peut mieux faire! But: le réduire le plus possible 1.Canon  X

7 7 5.Cathode cuivre Charge =  x N ph + effet de champ Rendement quantique de la photo-cathode  = 7.10 -5 4 x plus grand que la normale => Contribution de l’effet de champ 1.Canon  X

8 5.Cathode magnésium Intérêt: rendement quantique 10x le cuivre Disque pur à 99,99 % rentré en force au centre de la plaque cathode du canon  X Tests sur PHIL en Janvier 2012 Un préalable: nettoyage laser in-situ, 60 MV/m, laser très focalisé, ≈ 300 µJ/mm 2 Décapage de la couche superficielle polluée 10 µJ => 1 nC ! à condition de E acc et  laser plus grand 1.Canon  X

9 2.Canon PHIN 1.Design HF But: destiné au linac drive beam de CTF3 au CERN  Durée d ’impulsion  5 ps  2334 paquets, Q = 2.33 nC  Energie de 6 MeV  Fréquence = 10 Hz  Dispersion d’énergie  1 %  Emittance  20  mmmrad E acc = 85 MV/m Enjeu: vide Limiter les pertes Angle de la paroi  pour I = 5 A Iris elliptiques => E s  E z R = 20 mm Cavités asymétriques multipactor R s = 34 M  m Q = 14530

10 10 Résultats des simulations HFSS S11 = 0.486  = 2.9 (à cause du beamloading)  f (mi-hauteur) = 640 kHz R 1/2 = 43.9 mm R 1 = 44.7 mm R 2 = 43.6 mm trou de couplage: 15 mm  = 10 mm 1.Design HF 2.Canon PHIN

11 11 1.Design HF et réalisation Etudes mécaniques au LAL Usinage au LAL Réglages bas niveau avec G. Bienvenu Brasé au LAL 3 canons en tout Le 1 er est mort, échec du brasage Le 2 ème qui était pour le LAL est parti au CERN Le 3 ème pour le LAL, fini en janvier 2010 2.Canon PHIN

12 12 2.Dynamique faisceau 100 pC, 85 MV/m 2,3 nC, 85 MV/m Faisceau très dégradé Impossible à propager sans pertes Il faut monter en énergie! 2.Canon PHIN

13 13 3.Tests en puissance Le canon a été installé en Mai 2012 Montée très rapide de la puissance stockée dans le canon … ≈ 3 MW = 47 MV/m! Circulateur LAL HS et le circulateur récupéré du CERN limité à 4 MW 2.Canon PHIN

14 14 4.Courant d’obscurité Avant l’été 2012 Une seule mesure à la puissance max et au champ max de 47 MV/m Q = 6 pC Impossible de faire une mesure en fonction de E acc Avec une cathode ayant subi un polissage miroir Après l’été 2012 x7 Sept. 2012, claquages en présence du laser: émission explosive => création de pointes => effet de champ ++ 2.Canon PHIN

15 15 5.Cathode cuivre Avant l’été 2012 Une seule mesure à E laser max = 33,7 µJ sur la cathode Q = 80 pC  = 1,1.10 -5 Normal pour du Cu Après l’été 2012  = 4,4.10 -5 Effet de champ Pour le plus grand bonheur de Delphine: + charge => + de fluo. Mais qualité du faisceau 2.Canon PHIN

16 16 3.Comparaison des performances Une gageure… très difficile de trouver les mêmes conditions expérimentales Mon choix: je prends les meilleures perf. dans les 2 cas XX PHIN E c (MeV)5 ( 80 MV/m )3.3 (50 MV/m) Q (pC)150-50080/350  (mmmrad) 4.6 (80 MV/m) 3.7 (47 MV/m)  opt.  E /E (%) 0.2 (54 MV/m)  opt. 1.5 (47 MV/m)  opt.

17 17 4.FUTUR Le canon ThomX Copie du canon-sonde construit par le LAL pour CTF3 au CERN et livré en 2008 Principales diff. / PHIN : Iris coniques Pas de trous dans les parois Couplage critique Cathode métallique en Mg Ajustements bas-niveau presque terminés, brasage Canon prêt à être testé en Septembre? Un canon 4,5 cellules Atteindre 10 MeV avec une seule structure, + compact, - cher - gourmand en P HF même avec 1,5 MW => Ec ≈ 6 MeV Disp. Energie 2x < config. Canon + booster