Les journées accélérateurs de ROSCOFF 10/10/05 LE PROJET ARC-EN-CIEL G. Lambert, B. Carré, M. E. Couprie, D. Garzella, B. Gilquin, P. Monot, DSM/DRECAM/SPAM M. Desmons, M. Jablonka, F. Méot, A. Mosnier CEA/DAPNIA/SACM O. Chubar, A. Loulergue, L. Nahon SYNCHROTRON SOLEIL J. R. Marquès Ecole Polytechnique LULI J. M. Ortega LURE A. Rousse LOA-ENSTA

Motivations 1) Fournir à la communauté d’utilisateurs grâce à une nouvelle source basée sur accélérateur: -Grande accordabilité de l’UV au rayons X -Polarisation ajustable -Brillance importante -Rayonnement cohérent femtoseconde -Taux de répétition élevé 2) Tester la physique des LEL -Configuration HGHG injectée par des harmoniques d’ordre élevé produites dans les gaz -Schémas de mise en cascade d’onduleur 3) Faire des études pour accélérateurs supraconducteurs 4) Etudier les modes CW 5) Etablir une synergie entre les communautés accélérateur, LEL et laser

Sommaire Schémas des différentes phases d’ARC-EN-CIEL Description d’ARC-EN-CIEL Description d’ARC-EN-CIEL phase 1 Conclusion sur les applications scientifiques

Génération d’harmoniques dans les gaz ARC-EN-CIEL phase 1 ARC-EN-CIEL phase 2 Schéma HGHG Radiateur amplifiant la 3ème ou 5ème harmonique non linéaire (NHG) Section dispersive Radiateur Arrêtoir de faisceau Rayonnement HGHG Jusqu’à 0.6 nm Rayonnement HGHG Jusqu’à 15 nm Unduleurs cryomodules 220 MeV Cristal tripleur GHC THG Injecteurs Génération d’harmoniques dans les gaz Jusqu’à 9 nm

Génération d’harmoniques ARC-EN-CIEL phase 3 120-10 nm -Récupération d’énergie -Augmentation d’énergie (2 GeV) Onduleur X Oscillateur LEL Rayonnement Synchrotron IR Onduleur VUV GHC onduleurs Diffusion Thomson Accélération Plasma Injecteurs Génération d’harmoniques dans les gaz

Injecteurs R&D: -Compensation d’émittance -Fonctionnement en mode CW Injecteur 2 bis Canon SC RF de Rossendorf impulsions RF par canon de TTF2 (Zeuthen) R&D: -Compensation d’émittance -Fonctionnement en mode CW -Fiabilité

Caractéristiques d’ARC-EN-CIEL Technologie supraconductrice Tesla Faisceau Intensité pour un passage mA 1 Intensité par ERL 5-10 Charge des paquets nC Fréquence des paquets MHz ≤ 10 Emittance transverse m.rad 2 10-6 Dispersion d’énergie 1.10-3 Linac Energie GeV 1 Longueur m 96 Energie d’injection MeV 50 Nombre de modules 8 Nombre de klystrons 16 Puissance par klystron kW 100 Cavités Nombre 64 Fréquence HF GHz 1.3 Gradient MV/m 15 Longueur m 1.04 Q0 (facteur de qualité) 1010 Dissipation W 23.5 Température K 2 Qex (paramètre de couplage critique) 107 Puissance HF pour 1 mA kW 16.3

0.8 nm Source de lumière: configuration HGHG injectée Polarisation ajustable HGHG injecté Période (mm) 30 20 Entrefer (mm) 10-30 10-20 Champs Magnétique(T) 0.1-0.75 0.1-0.5 Longueur (m) 4 Nombre de Section 1-2 Longueur d’onde (nm) 200-8 60-4 Energie des photons (eV) 6-150 20-200 0.8 nm Forte polarisation non linéaire induite sur les atomes de gaz

Processus de génération d’harmoniques Suppositions: -électrons libres -niveaux continuum et fondamental HHG x WE=ex.Esinwt Ip Etat initial ωt~0 Ionisation par effet tunnel ωt~π/2 Oscillation dans le champs laser ωt~3π/2 Recombinaison radiative ωt~2π Modèle classique en trois étapes Phénomène cohérent et ultrarapide incluant la dynamique des électrons

Caractéristiques des harmoniques produites dans les gaz Energie par impulsion limitée mais pouvant être augmentée avec plus d’énergie laser et une plus grande lentille de focalisation -Large domaine spectral Loi de coupure: Coupure 1) Cohérence totale 2) Accordabilité sur une grande plage spectrale (260nm-10nm) grâce aux harmoniques et au laser Ti: Sa 3) Ensemble compacte (3-4 m)

Calculs 1D avec le code Perseo* Comparaison entre les modes SASE et injection d’harmoniques dans les gaz. E=1 GeV, courant crête 1kA, dispersion en énergie par tranche 0.04%. Puissance crête de l’injection: 10-1000 kW Brillance crête à 20 nm 2.5 1025 Phot/(s.mm2.mrad2.0.1%bandw). H1, H3, H5 correspondent aux première, troisième et cinquième harmoniques du rayonnement émis par le radiateur.Injection à 42 nm, 12.5 kW, pour E= 1 GeV. -Possibilité de faire rayonner le radiateur sur le fondamental, et sur la troisième harmonique -Puissance crête élevée -Jusqu’à 1 nm -Réduction des longueurs de saturation * Code de Luca Giannessi de l’ENEA Frascati

Implantation d’ARC-EN-CIEL phase 1 Charge nC 1 0.1 Energie MeV 220 Dispersion en énergie 2 0.5 Longueur de paquet (rms) fs 300 60 Emittance (normalisée) mm.mrad 1.7 2.1 Unduleurs Modulateur Radiateur R (nm) longueur d’onde 267/89 89/66 U (cm) période de l’onduleur 30 20 K paramètre de déflexion 2.1/0.45 1.1/0.68 No. de périodes 50 450

Simulations du faisceau d’électrons Compresseur en S-chicane Trafic 4 (CSR+ effets de charge 3D, R56=0.1m) module TTF (15MV/m) module TTF 2 m 12 m 24 m Canon

Système laser

Evolution des faisceaux IR et harmoniques 1

Evolution des faisceaux IR et harmoniques 2 MS1 MS2 Lentille IR 2*wo1 2*wo’2 2*wo’1 = 2*wo2 Cellule ou jet de gaz Faisceau IR E-beam focussing Modulateur

Transport faisceau optique Puissances crêtes Ffcorr=0.1

Calculs Perseo Injection par une impulsion laser de 10-1000 kW de puissance crête de 400 nm à 73 nm E=220 MeV, 800 A, 1.7 π mm.mrad, dispersion en énergie par tranche 0.15%, 200 fs. -Puissances crêtes > 1 MW pour un rayonnement jusqu’à 25 nm -Puissances crêtes > 10 kW pour un rayonnement jusqu’à 1 nm

Merci pour votre attention Applications Scientifiques Grande variété de source de lumière fs cohérentes à fortes brillance de l’IR au rayons X avec polarisation ajustable -Femtochimie en phase gaz Expérience pompe-sonde à deux couleurs Physique du non linéaire dans l’XUV sur des atomes et des clusters -Imagerie, microscopie, holographie de nanostructures -etc……………….. FIN Merci pour votre attention