Etude expérimentale du photo-injecteur de Fermilab Soutenance de thèse Jean-Paul Carneiro Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire Auditorium Pierre Lehmann Mercredi 23 Mai 2001, 14H00

Plan de l’exposé 1. Introduction 2. Description du photo-injecteur 3. Expériences • Courant d’obscurité • Efficacité quantique • Emittance transverse • Longueur des paquets 4. Conclusion

L’ACCELERATEUR TESLA

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

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 : délivrer du faisceau à TTF. But : poursuivre l’étude de la dynamique du faisceau dans un photo-injecteur.

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

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

PARAMETRES DU FAISCEAU • Structure temporelle Courant moyen Q = 8 nC 8 mA 800 µs Temps 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

(Université de Rochester, Etat de New-York) 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 Nd:YLF 81,25 MHz 2 km de fibre optique Cellule de Pockels 1 MHz Amplificateur multi-passages Nd-verre Amplificateur double-passage Nd-verre 20 µJ/impulsion 4,2 ps 263 nm 400 µJ/ /impulsion 4,2 ps 600 µJ/ /impulsion 400 ps 0.8 mJ/ /impulsion 400 ps 10 µJ/ /impulsion 10,8 ps 263 nm 100 µJ/ /impulsion 4,2 ps 532 nm Superposeur d’impulsions Cristaux BBO Compresseur Filtrage spatial

LA CHAMBRE DE PREPARATION DES PHOTO-CATHODES (INFN-Milan) • Dépôt d’une 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 jusqu’au canon HF.

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

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 l’axe. 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)

L’ENSEMBLE DE LA LIGNE DE FAISCEAU SECTION A FAIBLE BETA L’ENSEMBLE DE LA LIGNE DE FAISCEAU EXPERIENCE ACCELERATION DANS UN PLASMA SPECTROMETRE

MESURES DU COURANT D’OBSCURITE • 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

Comparaison du courant d’obscurité : Mars 99 / November 00 Icc=Ip=Is= 0 A

D’où vient le courant d’obscurité? • Visualisation du courant d’obscurité et du photo-courant à z  6.5 m Contour de la photo-cathode

MESURES DE L’EFFICACITE 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 z=0,6 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 %).

Mesure de la charge maximale extraite du canon HF.  = 1.3 mm, z = 10.8 ps FWHM, Eo = 35 MV/m, Icc=Ip=Is= 220 A

MESURES DE L’EMITTANCE TRANSVERSE • Le photo-injecteur est un ensemble à 8 paramètres libres : Laser Canon HF Cavité de capture • But: Déterminer, pour une charge Q donnée, l’ensemble des paramètres donnant l’émittance transverse minimimun (chicane “dégaussée”).

• Comment mesure-t’on l’émittance transverse : par la méthode des fentes • Ouverture des fentes : 50 µm • Epaisseur des fentes : 6 mm • Espacement entre fentes : 1mm

Localisation des fentes pour les mesures de l’émittance Cavité supraconductrice z ~ 3.8 m Ex ~ 6.5 m Ex et Ey ~ 9.5 m Ex et Ey Doublet Triplet Triplet Triplet Canon HF et solénoïdes Chicane Spectromètre ~ 15 m

Exemple: mesure de l’émittance d’un faisceau de 8 nC à z~3 Exemple: mesure de l’émittance d’un faisceau de 8 nC à z~3.8 m, échantillons à z = 384 mm FAISCEAU X3 ECHANTILLONS X4 Intensité [u. a.] Intensité [u. a.] Position [mm] Position [mm]

Comment a-t’on procédé pour les mesures de l’émittance ? PARAMETRES FIXES

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

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

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

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

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

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.

Enveloppe d ’un faisceau de charge Q = 1 nC ø0 = 40 deg, Eo = 40 MV/m,  = 0.8 mm, Icc=Ip=Is= 255 A Q3 = 1.32 A, Q4 = -2.42 A, Q5 = 1.32 A. Premier triplet 9.4 m 6.5 m

Enveloppe d ’un faisceau de charge Q = 8 nC ø0 = 40 deg, Eo = 40 MV/m,  = 1.6 mm, Icc=Ip=Is= 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

Emittance transverse le long de la ligne de transport. CAS Q = 1 nC Z [m] Mesure HOMDYN PARMELA Emit. Norm. Y 4.1 ± 0.3 3.8 1.7 9.2 Emit. Norm.. X 6.5 5.0 ± 0.2 1.7 9.1 Emit. Norm. Y 6.5 5.1 ± 0.2 1.4 9.2 Emit. Norm. X 9.4 6.8 ± 0.2 1.6 9.6 Emit. Norm. Y 9.4 5.8 ± 0.2 0.9 9.6 CAS Q = 8 nC Z [m] Mesure HOMDYN PARMELA 10.0 ± 0.1 Emit. Norm. Y 3.8 11 40.7 Emit. Norm. X 6.5 11.6 ± 0.5 12.5 39.1 Emit. Norm. Y 6.5 8.9 ± 0.7 9.7 40.5 Emit. Norm. X 9.4 14.4 ± 0.5 8.5 39.3 Emit. Norm. Y 9.4 18.3 ± 0.9 16.4 41.2

MESURES DE LA LONGUEUR DES PAQUETS • Principe : - Utilisation d’une 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

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

Longueur de paquets Vs. Charge ø0 = 40 deg, Eo = 40 MV/m,  = 2.1 mm, z = 10.8 ps FWHM Icc=Ip=Is= 240 A

PRINCIPE DE COMPRESSION AVEC LA CHICANE QUANTITE DE MOUVEMENT QUANTITE DE MOUVEMENT QUEUE P>Po PHASE PHASE Po P>Po TETE P<Po P=Po P<Po

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 Icc=Ip=Is= 240 A

SIMULATION HOMDYN Variation d’émittance 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 5 entrée sortie 2 4 6 8 10 12 Position longitudinale [m]

CONCLUSIONS Comparaison Prédiction (Parmela, Fermilab 1994) et Mesure (1999  2001) Q = 1 nC Q = 8 nC Prédiction Mesure Prédiction Mesure Avant compression Impulsions laser FWHM 8 ps 10.8 ps 28 ps 10.8 ps Impulsions laser RMS 0.7 mm 0.8 mm 1.6 mm 1.5 mm Phase d’injection 45° 40° 45° 40° Champ accélérateur crête ds le canon 35 MV/m 40 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% Longueur des paquets 4.3 mm 1.27 mm 1.6 ± 0.1 mm 2.9 ± 0.2 mm Courant crête 276 A 75 A 330 A 80 A Après compression 15 mm-mrad Emittance transverse RMS norm. 3.02 mm-mrad non-mesuré non-mesuré Longueur des paquets 0.55 ± 0.07 mm 1 mm 0.55 ± 0.05 mm 1 mm Courant crête 120 A 218 A 958 A 1741 A

CONCLUSIONS (suite et fin) • Etudes futures possibles: - Poursuivre les études du courant d’obscurité (origines) - Poursuivre l’étude de l’optimisation de l’émittance transverse d’un faisceau non-comprimé (impulsion laser de 20 ps FWHM). - Mesurer et optimiser l’émittance d’un faisceau comprimé. - Comprendre le désaccord entre PARMELA et les mesures. - Poursuivre les expériences en cours (Accélération de particules dans un plasma).