Christelle Bruni, Thomas Vinatier Pour l’équipe PHIL Mesures et simulations de la dynamique faisceau pour les canons AlphaX et PHIN Christelle Bruni, Thomas Vinatier Pour l’équipe PHIL

Plan Charge Dimensions transverses Dispersion en énergie Emittance Dépendance avec la phase Ouverture physique Effet Schottky Dimensions transverses Analyse des images Dépendance avec la dimension du laser et du gradient Couplage dû aux solénoides Dispersion en énergie Emittance Thomas Vinatier

Propriétés du faisceau avec la phase (théorie) Phase relative entre l’arrivée du laser sur la cathode et la phase de l’onde RF  Tension vue par le paquet d’électrons à la cathode En considérant que le travail de sortie du métal  Charge en fonction de la phase avec un large plateau

Optimisation à la phase qui maximise l’énergie Energie Phase qui maximise l’énergie en théorie avec une charge extraite maximale vers le milieu du plateau

Optimisation à la phase qui maximise l’énergie Dispersion en énergie Energie maximale  Proche du minimum de dispersion en énergie

Optimisation à la phase qui maximise l’énergie Emittance Energie maximale  Au minimum de l’émittance

Mesure de charge bout de ligne directe ~ 1m de la cathode

Mesure de charge Signaux des ICT et des coupes de faraday à l’oscilloscope Soustraction du courant d’obscurité (fonction math) Valeur crete ou aire signal (fonction math) Statistique (fonction mesure) Note des valeurs dans le cahier d’expérience Variation du paramètres (phase, champ magnétique) dans panorama ICT Faraday Charge Aire du signal Atténuation des câbles Calibration électronique (si elle est présente) Lecture de la charge calibrée avec gain électronique

Historique des mesures charge/Phase 2010 : difficile, pas d’ICT à 1m du canon faible ouverture du canon AlphaX : extraction des charges Ajustement des fonctions optiques avec 1 écrans… 2011 : l’ICT1 a facilité les mesures et le transport Une expérience à 80MV/m avec AlphaX (stagiaire M1 Thomas et Gang) Etude systématique sur le transport de charge en fonction de la phase Comparaison avec les simulations en incluant toutes les ouvertures physique de la ligne sinon, 50MV/m 2012 : Canon PHIN Absence de plateau + pertes dans le transport (optique+ ouverture physique) ICT2 ICT1 ICT2

Comportement sans plateau Pertes par ouverture physique Incluses dans les simulations Largeur du plateau à l’ICT1 Plus faible en expérience S’élargit à la fois en expérience et théorique avec le gradient accélérateur Charge normalisée Phase (en °) simulations Charge normalisée mesures Gradient (MV/m)‏

Comportement sans plateau Perte par ouverture physique Incluse dans les simulations Largeur du plateau à l’ICT1 Plus faible en expérience S’élargit à la fois en expérience et théorique avec le gradient accélérateur Bon accord théorie /expérience à l’ICT2 (transport dominant) Charge normalisée Phase (en °) simulations simulations Charge normalisée Charge normalisée mesures mesures Gradient (MV/m)‏ Courant injecté dans B5 (en A)‏

Effet Schottky, Alignement du laser Abaissement de la barrière de potentiel du au champ sur la cathode Diminution de la largeur du plateau Conservation de la dépendance de la largeur du plateau avec le gradient Maximum de charge pour les propriétés du faisceau les plus dégradés Plateau rétrécit si mauvais alignement du laser sur l’axe du canon Méthode d’alignement

Phase qui maximise la charge, mais pas l’énergie… Emittance Variation rapide de l’énergie Dégradation de l’émittance (~10)  Dégradation de la dispersion en énergie (~100)

Mesure des dimensions YAG1 Lanex-air YAG2 YAG3

Analyse des images Acquisition/système de mesure Méthodes d’analyse Historique topo Emilienne Méthodes d’analyse Projection sur une direction Ajustement gaussien, Méthode RMS (moment), Largeur à mi hauteur

Analyse des images Méthodes d’analyse Projection sur une direction Ajustement gaussien, Méthode RMS (moment), Largeur à mi-hauteur RMS FWHM Fit gaussien YAG2 YAG3 Charge 60pC, PHIN, phase 0°

Analyse des images ? Sources d’erreur Statistiques : prises de 10 images Systématiques :majoration des dimensions Piédestal du faisceau : à supprimer?

Analyse des images ? Sources d’erreur Statistiques : prises de 10 images Systématiques :majoration des dimensions Piédestal du faisceau halo: faisceau ou optique du diagnostic?

Analyse des images ? Sources d’erreur Statistiques : prises de 10 images Systématiques :majoration des dimensions Piédestal du faisceau : à supprimer? halo: faisceau ou optique du diagnostic? Couplage : déterminer les termes pour en déduire les valeurs non projetées

Analyse des images ? Sources d’erreur Statistiques : prises de 10 images Systématiques : majoration des dimensions Piédestal du faisceau : à supprimer? halo: faisceau ou optique du diagnostic? Couplage : déterminer les termes pour en déduire les valeurs non projetées Possibilité de l’annuler avec un second solénoide identique décalé d’une longueur magnétique

Influence de la dimension du laser et du gradient 0.27X0.4mm Pour un diamètre de laser fixé, phase qui maximise l’énergie contrôlée sur YAG4 Déplacement de la valeur de B3 pour le minimum de dimensions avec le gradient (l’énergie) Conforme à la théorie 50MV/m 60MV/m 80MV/m 70MV/m

Influence de la dimension du laser et du gradient 0.27X0.4mm 0.18X0.25mm 50MV/m 60MV/m 80MV/m 70MV/m 0.53X0.2mm Variation de la taille du laser Même valeur de B3 pour le minimum de dimension Change les allures des courbes (variation des dimensions pour un même champ)

Influence de la dimension du laser et du gradient 0.27X0.4mm 0.18X0.25mm 50MV/m 60MV/m 80MV/m 70MV/m Valeur de B3 au minimum de dimension Varie en fonction de la phase (énergie) Bien vérifier expérimentalement à quelle phase on travaille afin de comparer ensuite avec les simulations 50MV/m Emax Qmax

Modélisation des champs magnétiques Modélisation des champs dans les solénoïdes (poisson-R. Roux) Comportement du B(I) Valeurs mesurées fournit par le fabriquant  on ne les a pas Comportement linéaire  quelques points suffisent B3 B5 B1

Comportement non linéaire de B3… Comportement non linéaire B(I) Valeurs mesurées fournit par le fabriquant  un point à 40A Comportement non linéaire du profil basé sur la modélisation magnétique Découvert lors des comparaisons avec l’expérience Mesures du B(I) réalisées par R. Roux, S. Cavalier et F. Blot Ecart de 5 A constaté Modéliser les profils pour chaque configuration de B3 et B1 (même si B1=0A)

Dimensions sur YAG1 en fonction de B3 Q = 70 pC, Eacc = 60 MV/m, AlphaX

Dimensions sur YAG1 en fonction de B3 Simulations ASTRA Prise en compte du profil non linéaire Mesure des dimensions transverses du laser pour l’entrée du code Q = 70 pC, Eacc = 60 MV/m, AlphaX

Dimensions sur YAG1 en fonction de B3 Simulations ASTRA Prise en compte du profil non linéaire Mesure des dimensions transverses du laser pour l’entrée du code Décalage de 5A entre les simulations et l’expérience Mesuré a postériori Q = 70 pC, Eacc = 60 MV/m, AlphaX

Dimensions sur YAG1 en fonction de B3 Simulations ASTRA Prise en compte du profil non linéaire Mesure des dimensions transverses du laser pour l’entrée du code Décalage de 5A entre les simulations et l’expérience Mesurée a postériori Confirmé par d’autres mesures Q = 150 pC, Eacc = 80 MV/m.

Mesure des dimensions sur YAG3 Couplage plus présent à cause du bras de levier (YAG3 à 5m) Courbes à comportement “plus plat” Forme de croix Halos

Modélisation du couplage Bien modélisé avec des matrices de transports Pas d’effet de rotation dans Astra Limitation due au champ sur l’axe? Approximation paraxiale

Modélisation du couplage Bien modélisé avec des matrices de transports Pas d’effet de rotation dans Astra Limitation due au champ sur l’axe? Approximation paraxiale

Mesure d’énergie/dispersion en énergie YAG3 Fente YAG4

Mesure de dispersion en énergie Dipole Déviation horizontale dépend de l’énergie Dipole + écran YAG Energie Valeur du courant pour centrer le faisceau sur l’écran Dispersion en énergie Calibration de l’écran Largeur du profil transverse (énergie)

Mesure de dispersion en énergie AlphaX Minimum de 0.12% Possibilité de mesurer en un seul coup la dispersion sur l’écran Profil dissymétrique Valeur plus faible que la simulation

Mesure de dispersion en énergie AlphaX Minimum de 0.12% Possibilité de mesurer en un seul coup la dispersion sur l’écran Profil dissymétrique Valeur plus faible que la simulation

Mesure de dispersion en énergie PHIN Dispersion plus grande > 1.2% Difficultés pour faire des mesures car le faisceau est plus large que l’écran

Mesure de dispersion en énergie PHIN Dispersion plus grande > 1.2% Difficultés pour faire des mesures car le faisceau est plus large que l’écran Largeur à mi hauteur de charge (deux points par mesure)

Mesure de dispersion en énergie PHIN Dispersion plus grande > 1.2% Difficultés pour faire des mesures car le faisceau est plus large que l’écran Combiné avec les fentes (40 points pour la mesure d’une dispersion en énergie)

Résumé Bon accord théorie/expérience sur les diagrammes charge/phase Effet Schottcky dominant en sortie du canon Pertes par ouverture physique dominantes en bout de ligne Ligne modélisée avec l’aide des mécaniciens dans ASTRA Nécessité de conserver un historique et une mise à jour de ces données Mesure de dimensions transverses/modélisation magnétique Bobine sortie canon non linéaire Absence de mesures de profil à plusieurs courants, et du B(I) Bon accord après caractérisation interne de la bobine (modélisation et mesure) Analyse des images Distinguer les effets d’aberrations/faisceau (croix, halo, piédestal) Outils communs pour l’acquisition et automatisation des mesures Prise en compte du couplage dans les simulations de tracking (ASTRA, PARMELA)? Mesure de dispersion en énergie Très facile sur YAG4+dipole avec une dispersion <0.5% Fatidieux dès lors qu’on doit faire 40 points pour tracer la distribution (faraday + oscillo+champ dipole) avec une dispersion >0.5% Soumis aux variations pendant 1h

Vers une caractérisation complète systématique Automatisation des mesures Charge phase Dimensions en fonction d’un paramètre (B3, phase, B5) Dispersion en énergie via l’analyse des image YAG1/fente Mesures des profils de la bobine sortie canon Améliorer le transport optique Quadrupole Augmenter l’énergie Contre-réaction sur la dérive de phase Procédure systématique Alignement du laser sur le canon Alignement des bobines