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Etude expérimentale du photo-injecteur de Fermilab Soutenance de thèse Jean-Paul Carneiro Laboratoire de lAccélérateur Linéaire Auditorium Pierre Lehmann.

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1 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

2 Plan de lexposé 1. Introduction 2. Description du photo-injecteur 3. Expériences Courant dobscurité Efficacité quantique Emittance transverse Longueur des paquets 4. Conclusion

3 LACCELERATEUR TESLA

4 LACCELERATEUR TESLA TEST FACILITY (TTF) ~ 100 meters Contribution principale de Fermilab à TTF : - Developpement, Fabrication et Installation du photo-injecteur de TTF. R&D effectué par 9 pays et 40 institutions.

5 LES PHOTO-INJECTEURS DE DESY ET DE A0 Developpement du photo-injecteur de TTF effectué au Fermilab de 1993 à (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.

6 BzBz BzBz BzBz Solénoïde de contre-champ ~2000 G Solénoïde primaire ~2000 G Solénoïde secondaire ~800 G Photo-cathode Impulsions Laser UV Paquets d électrons Guide d onde PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU PHOTO-INJECTEUR Miroir Canon HF ; 1.5 cellules TM010, ; 1.3 GHz 40 MV/m ; 3 MW 5 MeV

7 SCHEMA DU PHOTO-INJECTEUR INSTALLE AU FERMILAB ~ 15 m Chicane Cavité supraconductrice Spectromètre Cibles de Faraday DoubletTriplet Chambre de préparation des photo-cathodes Canon HF et solénoïdes

8 PARAMETRES DU FAISCEAU Energie totale Emittance normalisée à 1 nC Emittance normalisée à 8 nC ~17-18 MeV 2-3 mm-mrad 15 mm-mrad Q = 8 nC Temps Courant moyen 8 mA 800 µs 100 ms Structure temporelle Energie, Emittance (après la cavité supraconductrice)

9 Oscillateur Nd:YLF 81,25 MHz 2 km de fibre optiqueCellule de Pockels 1 MHz Amplificateur multi-passages Nd-verre Amplificateur double-passage Nd-verre 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 0.8 mJ/ /impulsion 400 ps 600 µJ/ /impulsion 400 ps 400 µJ/ /impulsion 4,2 ps 100 µJ/ /impulsion 4,2 ps 532 nm 20 µJ/impulsion 4,2 ps 263 nm 10 µJ/ /impulsion 10,8 ps 263 nm LASER (Université de Rochester, Etat de New-York) Filtrage spatialCompresseurCristaux BBO Superposeur dimpulsions

10 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.

11 SOLENOIDE DE CONTRE-CHAMP SOLENOIDE SECONDAIRE LE CANON HF ET LES SOLENOIDES (Fermilab & UCLA) CANON HF SOLENOIDE PRIMAIRE

12 LA CAVITE SUPRACONDUCTRICE (DESY & IPN-Orsay) & LA CHICANE (Fermilab) CHICANE CRYOSTAT DE LA CAVITE SUPRACONDUCTRICE Paramètres de la cavité de capture Paramètres de la chicane fonctionne à 12 MV/m sur laxe. 4 dipôles de forces égales. fonctionne à ~700 Gauss courbe dans le plan vertical Rapport de compression ~5 - 6 (théorie et mesure)

13 SECTION A FAIBLE BETALENSEMBLE DE LA LIGNE DE FAISCEAU SPECTROMETRE EXPERIENCE ACCELERATION DANS UN PLASMA

14 MESURES DU COURANT DOBSCURITE Principe de mesures : En utilisant une cible de Faraday à z 0.6 m. Contre-champ Icc Primaire Ip Secondaire Is Cible de Faraday canal 1 : puissance incidente dans le canon HF canal 2 : cible de Faraday Signaux de l oscilloscope

15 Comparaison du courant dobscurité : Mars 99 / November 00 I cc =I p =I s = 0 A

16 Doù vient le courant dobscurité? Visualisation du courant dobscurité et du photo-courant à z 6.5 m Contour de la photo-cathode

17 MESURES DE LEFFICACITE QUANTIQUE Q [nC] = Charge du paquet mesurée avec un ICT ( à z=0,6 m ) E [µJ] = Energie de l impulsion UV incidente mesurée avec un mesureur d énergie. Nombre d électrons transmis Nombre de photons incidents EQ = 0, 47 Q [nC] E [µJ] Nous avons utilisé depuis 2 ans la même photo-cathode dans le canon HF sans détérioration de son efficacité quantique (0,5 - 4 %).

18 Mesure de la charge maximale extraite du canon HF. = 1.3 mm, z = 10.8 ps FWHM, E o = 35 MV/m, I cc =I p =I s = 220 A

19 MESURES DE LEMITTANCE TRANSVERSE Laser Canon HF Cavité de capture Le photo-injecteur est un ensemble à 8 paramètres libres : But: Déterminer, pour une charge Q donnée, lensemble des paramètres donnant lémittance transverse minimimun (chicane dégaussée).

20 Comment mesure-ton lémittance transverse : par la méthode des fentes Ouverture des fentes : 50 µm Epaisseur des fentes : 6 mm Espacement entre fentes : 1mm

21 ~ 15 m Spectromètre DoubletTriplet Canon HF et solénoïdes Localisation des fentes pour les mesures de lémittance z ~ 3.8 m Ex ~ 9.5 m Ex et Ey ~ 6.5 m Ex et Ey Chicane Cavité supraconductrice

22 Position [mm] Intensité [u. a.] Exemple: mesure de lémittance dun faisceau de 8 nC à z~3.8 m, échantillons à z = 384 mm FAISCEAU X3ECHANTILLONS X4

23 Comment a-ton procédé pour les mesures de lémittance ? PARAMETRES FIXES

24 Emittance Vs. Phase d injection ø 0 (z = 3.8 m) Q = 1 nC, E o = 35 MV/m, = 0.8 mm Q = 0.4 nC Q = 0.8 nC Q = 0.5 nC

25 Emittance Vs. Courant dans les solénoïdes (z = 3.8 m) Q = 8 nC, ø 0 = 40 deg, E o = 30, 35, 40 MV/m, = 1.6 mm

26 Min Emit à 0.5 mm, 260 A Emittance Vs. Courant dans les solénoïdes (z = 3.8 m) Q = 1 nC, ø 0 = 40 deg, E o = 40 MV/m, = 0.5, 0.8 & 1.0 mm

27 Comparaison Mesure / HOMDYN / PARMELA Cas Q = 1 nC, = 0.5 mm

28 Comparaison Mesure / HOMDYN / PARMELA Cas Q = 8 nC, = 1.6 mm

29 Emittance Vs. Charge (z = 3.8 m) ø 0 = 40 deg, E o = 40 MV/m, z = 10.8 ps FWHM HOMDYN prédit une diminution de l émittance d un facteur 2 pour z = 20 ps FWHM.

30 Enveloppe d un faisceau de charge Q = 1 nC ø 0 = 40 deg, E o = 40 MV/m, = 0.8 mm, I cc =I p =I s = 255 A Q3 = 1.32 A, Q4 = A, Q5 = 1.32 A. Premier triplet 6.5 m 9.4 m

31 Enveloppe d un faisceau de charge Q = 8 nC ø 0 = 40 deg, E o = 40 MV/m, = 1.6 mm, I cc =I p =I s = 245 A Q3 = 1.3 A, Q4 = -2.6 A, Q5 = 1.3 A & Q6 = 2.2 A, Q7 = A, Q8 = 2.2 A. 6.5 m 9.4 m Premier triplet Second triplet

32 Emit. Norm. Y Z [m]HOMDYNPARMELA ± ± ± ± ± 0.9 Z [m]MesureHOMDYNPARMELA ± ± ± ± ± 0.2 CAS Q = 1 nC CAS Q = 8 nC Emit. Norm. Y Emit. Norm.. X Emit. Norm. Y Emit. Norm. X Emit. Norm. Y Emit. Norm. X Emit. Norm. Y Emit. Norm. X Emit. Norm. Y Mesure Emittance transverse le long de la ligne de transport.

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) Caméra à balayage de fente Ecran RTO

34 Temps [ps] Intensité [u. a. ] MODE STATIQUEMODE DECLENCHE Exemple: Mesure de la longueur de paquets de charge 8 nC à z~6.5 m.

35 Longueur de paquets Vs. Charge ø 0 = 40 deg, E o = 40 MV/m, = 2.1 mm, z = 10.8 ps FWHM I cc =I p =I s = 240 A

36 P>Po P=Po PPo TETE P

37 Compression Vs. Phase de la cavité de capture Q = 8 nC, ø 0 = 40 deg, E o = 40 MV/m, = 2.1 mm, z = 10.8 ps FWHM I cc =I p =I s = 240 A

38 x,n y,n Position longitudinale [m] chicane entrée sortie SIMULATION HOMDYN Variation démittance le long de la ligne de transport pour un faisceau comprimé de charge Q = 8 nC. Rayonnement Synchrotron Cohérent (Etude en cours au CTF DU CERN)

39 Avant compression Impulsions laser FWHM Impulsions laser RMS Phase dinjection Champ accélérateur crête ds le canon Emittance transverse RMS norm. Dispersion en énergie Longueur des paquets Courant crête Après compression Longueur des paquets Courant crête Q = 1 nCQ = 8 nC Prédiction MesurePrédictionMesure 8 ps10.8 ps 28 ps 10.8 ps 0.7 mm0.8 mm 1.5 mm 1.6 mm 45° 40°45°40° 35 MV/m 40 MV/m 35 MV/m40 MV/m 2.5 mm-mrad 1.2 % 1.27 mm 80 A 3.02 mm-mrad 1 mm 120 A 3.7 ± 0.1 mm-mrad 0.25 ± 0.02 % 1.6 ± 0.1 mm 75 A non-mesuré 0.55 ± 0.07 mm 218 A 4.2 % 4.3 mm 276 A 11 mm-mrad 15 mm-mrad 1 mm 958 A 0.55 ± 0.05 mm 1741 A 330 A 2.9 ± 0.2 mm 12.6 ± 0.4 mm-mrad 0.38 ± 0.02% Comparaison Prédiction (Parmela, Fermilab 1994) et Mesure ( ) CONCLUSIONS Emittance transverse RMS norm.

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).


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