J. L. Revol au nom de la Division Accélérateur et Source, ESRF Future7 bend lattice Actuelle DBA lattice Status de l’ESRF J. L. Revol au nom de la Division Accélérateur et Source, ESRF 15 Octobre 2013

10 Hz Booster Synchrotron European Synchrotron Radiation Facility Source de lumière de 3ème génération Localisation : Grenoble, France Participants : 19 pays Budget annuel : 100 millions € Personnel : 600 Premiers utilisateurs : 1994 10 Hz Booster Synchrotron Energie 6.04 GeV Multibunch current 200 mA Emittance Horizontale 4 nm Emittance Verticale pm 200 MeV Electron Linac Circonférence de l’anneau de stockage => 844 m Optique DBA 32 sections droites 42 Lignes de lumière (dont 12 aimants de courbure) Disponibilité : 98.83 % Temps moyen entre 2 pannes : 77.7 heures Moyenne au cours des 4 dernières années Plus de 6000 utilisateurs/an 1800 publications chaque année Roscoff 2013 - Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

Performances opérationnelles depuis 2008 > à 98.6 % ! Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

Performances opérationnelles depuis 2008 En cours Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

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

Travaux de constructions intensifs sur le site “The Upgrade Programme” @ 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 @ 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 Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

“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 Fait Fait Fait (4pm) CPMU 7 metre ID23 Fait (4 ) Fait (2 CPMUs) Single cell HOM damped cavity Fait (1) Fait pour le booster 3 prototypes en test SSA Projet en cours Cellule standard TDS en cours 6 mètres canted ID16 7 mètres ID23 Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

Nouveau système de correction d’orbite Cell1 rms ID11 ID17 224 libera BPM Feedback OFF ID27 Cell32 8 mn Horizontal OFF Horizontal ON Vertical OFF Vertical ON 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 2.5 mm 0.9 mm @ stabilité sub mm régulièrement obtenu en V @ stabilité mm régulièrement obtenu en H Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

Allongement à 6 mètres des sections droites 6173 mm ID chamber Pas de changement d’optique Nouvelles chambres à vide Modification du câblage et de la tuyauterie Modification des têtes de lignes pour le canting 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 ) c c c c c c ID16 Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

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 Installés en Janvier 2012 Gain pour le flux du photon ~ 2 @ 60 keV, ~3 au-dessus de 90 keV versus un IVU 22 conventionnel Spectre mesuré sur ID11 (G. Vaughan, J. Wright) Et calculé à partir de mesures magnétiques (J. Chavanne) Support de Joël Chavanne , Gaël LeBec Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

Emetteurs RF But : Prévenir l’obsolescence des klystrons SY: Booster Synchrotron 4 Waveguide switches to 4 water loads 2 five-cell cavities x 2 couplers 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 Remplace l’émetteur 352.2 MHz 1.3 MW à base de klystron du booster SYRF prêt pour le mode TopUp, (puissance électrique réduite de 1200 à 400 kW). 3 SSA pour le SR: Alimente 3 nouvelles cavités HOM damped de L’anneau de stockage: 1st SSA alimente 1 cavité en Août 2013 Prochains SSA: Décembre 2013, Mars 2014 150 kW - 352.2 MHz amplificateurs à semi- conducteurs pour le booster Efficacité: > 55 % à la puissance nominale Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

1st HOM damped cavity (Research Instruments) Cavité mono cellule cuivre avec HOM attenués 1st HOM damped cavity (Research Instruments) 1ère cavité livrée par Research Instrument 3 prototypes livrés : 2 testés individuellement avec le faisceau et maintenant installés en cellule 23 Une en test de puissance RF 2ème cavité livrée par SDMS 3ème cavité livrée par CINEL 14 cavités commandées Nominal 0.5 MV, Max 0.75 MV Validés dans toutes les conditions du faisceau Les cavités 1&2 sont installées en C23 Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

Opérationnelle en Janvier 2013 Allongement à 7 mètres d’une section droite Two Mono-cell cavities installed in August 2013 Test of mini beta optics during first half of 2013 Opérationnelle en Janvier 2013 Create 2 lower vertical beta points to reduce the in-vacuum undulator gap from 6 to 4 mm Redistribution des cavités RF en vue d’ installer des onduleurs à la place des RF actuelles. Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 13

Projet de fonctionnement en mode Top Up @ La plupart des sources de RS fonctionnent en mode Top Up sauf l’ESRF 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 stabilité Nominal decay with vertical beam blowup to increase lifetime @ 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 thermique. Testé en Septembre 2013 avec les utilisateurs afin de déterminer le débit d’injection optimal. Le TopUp sera très bénéfique pour les modes de fonctionnement en structure temporelle qui sont pénalisés par la faible durée de vie. Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

“Accelerator Upgrade Phase II” Future7 bend lattice Present DBA lattice 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 : 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) Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

Pourquoi l’émittance horizontale est non nulle? Introduction de la faible émittance de l’optique X Pourquoi l’émittance horizontale est non nulle? Dipole Dipole Trajectoire idéale du faisceau d’électrons Support d’A Franchi Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

Pourquoi l’émittance horizontale est non nulle? Introduction de la faible émittance de l’optique X Pourquoi l’émittance horizontale est non nulle? Dipole Dipole Trajectoire d’un électron qui a émis du rayonnement synchrotron dans le premier dipole (énergie plus basse que l’énergie nominale  plus forte déviation) Support d’A Franchi Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

X Introduction de la faible émittance de l’optique Pourquoi l’émittance horizontale est non nulle? Dipole Dipole Quad Quad Quad Trajectoire d’un électron qui a émis du rayonnement synchrotron dans le premier dipole (énergie plus basse que l’énergie nominale) Corrigée par les aimants quadrupoles Support d’A Franchi Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

Pourquoi l’émittance horizontale est non nulle? Introduction de la faible émittance de l’optique X Pourquoi l’émittance horizontale est non nulle? Dipole Dipole Quad Quad Quad Trajectoire de deux électrons qui ont émis du rayonnement synchrotron (et qui ont une énergie différente) Support d’A Franchi Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

X Introduction de la faible émittance de l’optique Pourquoi l’émittance horizontale est non nulle? Sextu Sextu Sextu Dipole Dipole Quad Quad Quad Trajectoire de deux électrons qui ont émis du rayonnement synchrotron (et qui ont une énergie différente) Corrigée par les aimants sextupoles Support d’A Franchi Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

X Introduction de la faible émittance de l’optique Dipole 1 Dipole 2 3 électrons entrants à énergie et trajectoire nominale Dipole 1 Dipole 2 À la fin de la cellule : Vitesse horizontale non nulle et dispersion en energie  Émittance non nulle Trajectoire après l’émission des photons Support d’A Franchi Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

X Introduction de la faible émittance de l’optique Comment réduire l’émittance horizontale ? X Dipole 1 Dipole 2 Dipole 3 Plus de dipoles plus faibles, focalisation plus forte, sextupoles plus puissants émittance horizonale plus basse Support d’A Franchi Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

X Introduction de la faible émittance de l’optique Comment réduire l’émittance horizontale ? X Dipole 1 Dipole 2 Dipole 3 Dipole 4 Dipoles plus faibles, focalisation plus forte, sextupoles plus puissants émittance horizonale plus basse Support d’A Franchi Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

Optimisation de la lattice L’optique de l’ESRF Emittance basse : Optimization de e\bx and x dans les dipoles (ou est genere le rayonnement synchrotron) bx: envelope function x: dispersion Optimisation de la lattice Energie Nombre de dipoles identiques 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 Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

Performance des anneaux de stockage (sources actuelles et futures) Sources de lumière de faible émittance Performance des anneaux de stockage (sources actuelles et futures) Émittance horizontale ESRF 2BA PETRA III 2BA NSLS II 2BA MAX IV 7BA Sirius 5BA Spring-8 6BA ESRF 7BA 4000 pm – 6 GeV, Opérationnel 1000 pm – 6 GeV, Opérationnel ~350 pm – 3 GeV, construction ~300 pm – 3 GeV, construction ~250 pm – 3 GeV, au programme ~70 pm – 6 GeV, au programme ~150 pm – 6 GeV, au programme Augmentation presque linéaire de la luminosité jusqu’à 50-100 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 Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

Tendance des anneaux faible émittance Ouverture plus petite Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

Proposed hybrid 7 bend lattice Ex = 150 pm.rad Optique faible émittance pour l’ESRF 60 Present ESRF lattice Double Bend Achromat Ex = 4 nm.rad @ 7 aimants de courbure D1to7  réduisent l’émittance horizontale @ L’espace entre D1-D2 and D6-D7 β-fonctions et dispersion plus grandes  correction de la chormaticité avec des sextupoles plus efficaces @ Dipoles D1, D2, D6, D7  champ longitudinalement variable pour réduire encore l’émittance @ Partie centrale alternant: dipole-quadrupoles combinés D3-4-5 quadrupoles á fort champs de focalisation @ D4 (0.34T) and D5 (0.85T) Point de source pour le faisceau BM (modification du point source) 20 Proposed hybrid 7 bend lattice Ex = 150 pm.rad 20 D1 D2 D6 D7 D3 D4 D5 Bleu: Dipoles Rouge: Quadrupoles Vert: sextupoles Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

Optique faible émittance pour l’ESRF @ 2 quadrupoles de chaque côté de la section droite  Fourni au centre : bx = 4.3 m bz= 2.58 m @ Cellule d’injection spéciale avec un plus grand bx 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 stocké @ Ouverture dynamique proche de la présente optique  Permet d’utiliser le même injecteur Proposed hybrid 7 bend lattice Ex = 150 pm.rad Injection section Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

x 30 Brillance obtenue avec une faible émittance H E = 6.04 GeV Hor. Emittance [nm] 4 0.15 Vert. Emittance [pm] 3 2 Energy spread [%] 0.1 0.09 bx[m]/bz [m] 37/3 3.4/2.8 E = 6.04 GeV I = 200 mA Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

x 30 x 4 Cohérence obtenue avec une faible émittance H E = 6.04 GeV Hor. Emittance [nm] 4 0.15 Vert. Emittance [pm] 3 2 Energy spread [%] 0.1 0.09 bx[m]/bz [m] 37/3 6/2 E = 6.04 GeV I = 200 mA Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

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 D7 D6 D2 D5 D4 D3 D1 Sextupoles 200mm 1500 Tm-2 Dipole et quadrupoles fonction combinées 0.85 T / 45 Tm-1 & 0.34 T / 50 Tm-1 Dipole á aimant permanent (Sm2Co17) 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% Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

Défis technique: le système d’aimants 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 Octupole Sextupole Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

Défis technique: la compacité @ 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 @ 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 dipoles @ 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 1. Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

Mise en oeuvre Future7 bend lattice Present DBA lattice @ Extension du hall expérimental pour fournir 2500m² de capacité de stockage et de préparation @ 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. Utilisation ensuite du hall pour de futures lignes de lumières et des installations de support. Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

Road map Programme : ◊ Nov 2012 Rapport préliminaire Nov 2012- 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 Fait TDS en cours 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 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 Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

Conclusion Future7 bend lattice Present DBA lattice 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 Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013

Merci pour votre attention Future7 bend lattice Present DBA lattice Merci pour votre attention Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013