Modélisation électromagnétique d’un canon à électrons pour le

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1 Modélisation électromagnétique d’un canon à électrons pour le
faisceau sonde du projet CTF3 (Compact Linear Collider Test Facility 3) J. Brossard, R. Roux, G. Bienvenu, M. Desmons CNRS, Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire, Orsay, France Journées Accélérateurs de la Société Française de Physique, Roscoff, 9-12 oct INTRODUCTION : Ce poster présente la première phase d’optimisation (étude numérique 2D et 3D) du canon du faisceau sonde du projet CTF3 du CERN. Le LAL (Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire) est responsable de l’optimisation, de la fabrication et du test du photo injecteur du faisceau sonde de CTF3 ( OBJECTIFS DU LINAC DU FAISCEAU SONDE DE CTF3 : SPECIFICATIONS DU FAISCEAU GENERE PAR LE PHOTO-INJECTEUR : Le rôle du LINAC du faisceau sonde de CTF3 est de fournir un faisceau d’électrons dont les caractéristiques principales sont résumées ci-contre. DEROULEMENT DE L’ETUDE : 1/ CONCEPTION DU PROFIL 2D DU PHOTO-INJECTEUR (LOGICIEL SUPERFSIH). 2/ CONCEPTION DU COUPLAGE ENTRE L’ALIMENTATION ET LE PHOTO-INJECTEUR (LOGICIEL 3D HFSS). 3/ VERIFICATION DES CARACTERISTIQUES DU FAISCEAU (LOGICIEL 2D PARMELA). 1/ CONCEPTION DU PROFIL 2D DU PHOTO-INJECTEUR (LOGICIEL SUPERFSIH) : But de l’étude 2D : optimiser au « premier ordre» (i.e : en 2D) le profil du photo-injecteur. Avantage : rapidité des calculs (~1h environ pour trouver le mode résonant TM010- à 3GHz avec un champ équilibré). Exemple : 2 canons (cas1 et cas2) comparés au profil 2D du canon du faisceau principal de CTF3. Une analyse électromagnétique 2D (symétrie axiale) a été menée à l’aide du logiciel SUPERFISH [SUP] en s’inspirant de la géométrie du photo-injecteur du faisceau principal de CTF3, développé par le LAL [CTF3]. La courbe rouge de la figure ci-dessus décrit le profil 2D de ce canon, dont les performances HF ont été comparées à 2 autres profils. Le tableau ci-contre présente les critère d’optimisation retenus (pour l’étude HF-2D et pour le mode TM010- uniquement). Les figures ci-dessous présentent les performances de chacun de ces canons. Les courbes ci-contre montrent le module de l’amplitude du champ de surface (le long du profil 2D) pour les 3 canons étudiés. On constate que le champ de surface est maximum au niveau des iris, et que sa variation dépend fortement du profil géométrique des iris. Conclusion : Le canon « cas2 » présente de nombreux avantages, notamment une valeur de l’impédance shunt 43% supérieure à celle du canon PHIN. Cela signifie que la puissance d’alimentation du canon pourra être réduite d’autant (pour une valeur de champ donnée). La valeur du facteur de qualité et la valeur maximale du champ de surface sont semblables entre le canon PHIN et le canon Cas2. 2/ CONCEPTION DU COUPLAGE ENTRE L’ALIMENTATION ET LE PHOTO-INJECTEUR : Les analyses 2D permettent de définir au « premier ordre » la géométrie du photo-injecteur, en négligeant l’alimentation HF de la structure. Dès que l’alimentation HF n’est pas à symétrie de révolution autour de l’axe z (cas retenu pour le canon du faisceau sonde de CTF3), une analyse 3D est nécessaire. Le but de cette analyse est donc de concevoir la forme et la taille de l’interface mécanique entre le photo-injecteur et le guide d’onde qui va alimenter la structure. Les figures ci-contre présentent l’évolution du paramètre S11 en fonction de la fréquence ainsi que le design final du trou de couplage. 3/ VERIFICATION DES CARACTERISTIQUES DU FAISCEAU (LOGICIEL 2D PARMELA) [PARM] : Laser du modèle : durée d’impulsion de 4 ps et dimension transverse de 1 mm. 2 fonctionnements sont possibles (à étudier) - Fonctionnement « paquets longs » ( =36°  z rms = 3.37 ps) - Fonctionnement « paquets courts » ( = 6°  z rms = 1.9 ps) CONCLUSION : Les études RF 2D et 3D ont permis de figer la géométrie du canon (ainsi que son interface avec l’alimentation HF). Une étude de dynamique faisceau a permis ensuite de vérifier que les propriétés du faisceau généré par cette structure pouvait (via l’utilisation d’un laser approprié) satisfaire aux contraintes initiales. La construction de ce canon devrait débuter dans les prochains mois. Références: [SUP] : SUPERFSIH : code développé depuis 1970 par une équipe de Los Alamos : [CTF3] : “Design of a RF Photo-Gun”, R. Roux, G. Bienvenu, C. Prevost, B. Mercier, CARE Note PHIN, ( [PARM] : “The PARMELA Program” (Phase And Radial Motion in Electron LinAcs), Version 5.03 of Orsay implementation by B. Mouton, April 1997.