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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.

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1 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

2 Roscoff Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, Source de lumière de 3ème génération Localisation : Grenoble, France Participants :19 pays Budget annuel : 100 millions € Personnel : 600 Premiers utilisateurs : 1994 Energie6.04GeV Multibunch current 200mA Emittance Horizontale 4nm Emittance Verticale 4pm 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 : % Temps moyen entre 2 pannes : 77.7 heures Moyenne au cours des 4 dernières années Plus de 6000 utilisateurs/an 1800 publications chaque année

3 Roscoff Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, Performances opérationnelles depuis 2008 > à 98.6 % !

4 Roscoff Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, En cours Performances opérationnelles depuis 2008

5 Roscoff Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, Performances opérationnelles depuis 2010 MODES DE REMPLISSAGE A L’ESRF EN 2013

6 Roscoff Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 Phase I (de 2009 à 2015)  8 nouvelles lignes de lumière  Extension du hall expérimental  Rénovation de plusieurs lignes de lumière existantes  Evolution 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 Phase II (de 2015 à 2019)  4 nouvelles lignes de lumière  Evolution 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 2012 L’étude technique de la conception est due pour Juin 2014 Travaux de constructions intensifs sur le site

7 “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 7 Roscoff 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

8 Roscoff Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 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  m 0.9  stabilité sub  m régulièrement obtenu en stabilité  m régulièrement obtenu en H rms Cell1 Cell libera BPM Horizontal OFF Horizontal ON Vertical OFF Vertical ON

9 Roscoff Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 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’optique Nouvelles chambres à vide Modification du câblage et de la tuyauterie Modification des têtes de lignes pour le canting c c c c c c 6173 mm ID chamber ID16

10 Roscoff Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 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 ~ 60 keV, ~3 au-dessus de 90 keV versus un IVU 22 conventionnel

11 SY: Booster Synchrotron 4 Waveguide switches to 4 water loads 2 five-cell cavities x 2 couplers Roscoff Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, Emetteurs RF Remplace l’émetteur MHz 1.3 MW à base de klystron du booster SYRF prêt pour le mode TopUp, (puissance électrique réduite de 1200 à 400 kW). But : Prévenir l’obsolescence des klystrons Préparer 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 MHz amplificateurs à semi- conducteurs pour le booster Efficacité: > 55 % à la puissance nominale 3 SSA pour le SR:  Alimente 3 nouvelles cavités HOM damped de L’anneau de stockage:  1 st SSA alimente 1 cavité en Août 2013  Prochains SSA: Décembre 2013, Mars 2014

12 Roscoff Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, st 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 MV Validés dans toutes les conditions du faisceau

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

14 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 stabilité Contre: Augmentation du nombre d’injections  Perturbe la Etude comparative de l’opération en “Top-up” à : ESRF/ APS/ SPRing8/ PETRA/ SOLEIL/ DIAMOND/ BESSY/ ELETTRA/ ALBA /SLS Le «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 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.

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

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

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

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

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

20 Roscoff Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, Dipole Quad 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)

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

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

23 Roscoff Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 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 puissants  émittance horizonale plus basse

24 Roscoff Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, L’optique de l’ESRF Emittance basse : Optimization de  x and  x dans les dipoles (ou est genere le rayonnement synchrotron)  x : envelope function  x : dispersion Augmenter le nombre de cellules  circonférence plus large Mettre plus de dipoles par cellule  machine très compacte Réduction de l’émittance  grand nombre d’aimants de déviation Optimisation de la lattice Energie Nombre de dipoles identiques

25 Roscoff Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 ESRF 2BA PETRA III2BA NSLS II2BA MAX IV7BA Sirius5BA Spring-86BA ESRF7BA Performance des anneaux de stockage (sources actuelles et futures) Émittance horizontale 4000 pm – 6 GeV, Opérationnel 1000pm – 6 GeV, Opérationnel ~350pm – 3 GeV, construction ~300pm – 3 GeV, construction ~250pm – 3 GeV, au programme ~70 pm – 6 GeV, au programme ~150 pm – 6 GeV, au programme Augmentation presque linéaire de la luminosité jusqu’à pm Pour 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

26 Roscoff Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, Tendance des anneaux faible émittance Ouverture plus petite

27 Roscoff Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, Bleu: Dipoles Rouge: Quadrupoles Vert: sextupoles Optique faible émittance pour l’ESRF Present ESRF lattice Double Bend Achromat Ex = 4 nm.rad Proposed hybrid 7 bend lattice Ex = aimants de courbure D 1to7  réduisent l’émittance L’espace entre D 1 -D 2 and D 6 -D 7 β-fonctions et dispersion plus grandes  correction de la chormaticité avec des sextupoles plus Dipoles D 1, D 2, D 6, D 7  champ longitudinalement variable pour réduire encore Partie centrale alternant:  dipole-quadrupoles combinés D  quadrupoles á fort champs de D 4 (0.34T) and D 5 (0.85T)  Point de source pour le faisceau BM (modification du point source) D1D1 D2D2 D6D6 D7D7 D3D3 D4D4 D5D

28 Roscoff Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, Proposed hybrid 7 bend lattice Ex = quadrupoles de chaque côté de la section droite  Fourni au centre :  x = 4.3 m  z= 2.58 Cellule d’injection spéciale avec un plus grand  x 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 Ouverture dynamique proche de la présente optique  Permet d’utiliser le même injecteur Injection section Optique faible émittance pour l’ESRF

29 Roscoff Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, Brillance obtenue avec une faible émittance H E = 6.04 GeV I = 200 mA Hor. Emittance [nm]40.15 Vert. Emittance [pm]32 Energy spread [%]  x [m]/  z [m] 37/33.4/2.8 x 30

30 Roscoff Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, Hor. Emittance [nm]40.15 Vert. Emittance [pm]32 Energy spread [%]  x [m]/  z [m] 37/36/2 E = 6.04 GeV I = 200 mA x 30 x 4 Cohérence obtenue avec une faible émittance H

31 Roscoff Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 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 combinées 0.85 T / 45 Tm -1 & 0.34 T / 50 Tm -1 Sextupoles 200mm 1500 Tm -2 Dipole á aimant permanent (Sm 2 Co 17 ) gradient longitudinal 0.16  0.6 T, gap magnétique de 22 mm 2 mètres de long, 5 modules Avec une petite bobine de reglage de 1% D1D1 D2D2 D6D6 D7D7 D3D3 D4D4 D5D5

32 Roscoff Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 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 OctupoleSextupole Défis technique: le système d’aimants

33 Roscoff Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 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 Vide: Faible conductance due á la petite ouverture des chambres Chambres principales en acier inoxydable avec du NEG coating et du pompage localisé Absorbeurs distribué pour collecter le rayonnement produit par les La conception mécanique est très complique a cause de la compaticité seulement 3.4 mètre de tube de glissement par cellule au lieu des 8m actuel Défis technique: la compacité

34 Roscoff Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, Mise en oeuvre Present DBA lattice Future7 bend lattice Utilisation ensuite du hall pour de futures lignes de lumières et des installations de Extension du hall expérimental pour fournir 2500m² de capacité de stockage et de 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.

35 Roscoff Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 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 lumière 20 M€Instrumentation et installations de soutien Programme : ◊ Nov 2012 Rapport préliminaire Nov 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: Aimants WP3: Transport des éléctrons et photons WP4: Alimentations WP5: Radiofréquence WP6: Mise en œuvre WP7: Diagnostic et control du faisceau WP8:Source de photon WP9: Mise à niveau de l’injecteur

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

37 Roscoff Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, Merci pour votre attention Present DBA lattice Future7 bend lattice


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