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ELSA Accélérateur d’électrons forte charge et faible émittance A. Binet, P. Balleyguier, A. Bloquet, D. Deslandes,V. Le Flanchec, P. Guimbal, G. Vallart et JL. Flament, A. Godefroy, H. Leboutet, M. Millérioux J. Treuffet, S. Brygoo CEA, Bruyères le Châtel, France SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 1 Rappel sur l’origine d’ELSA ELSA = Etude d'un LaSer Accordable • 1988 - 93 : conception mise en œuvre d’un Laser à Electrons Libres Validation des choix technologiques et de la physique source LEL IR accordable entre 9 et 35 µm • depuis 1995 : source de faisceaux d’électrons et de photons pour l’étude de la physique des faisceaux et un grand nombre d’applications • 2000 - 03 : conception de nouvelles lignes dans une nouvelle aire ………………expérimentale SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 2 ELSA: un photoinjecteur et un accélérateur linéaire de 19 MeV Les composants essentiels sont: • Un laser très paramétrable • Un photoinjecteur très basse fréquence (144 MHz) ..alimenté par une tétrode de 2.5 MW (TH526) • Un accélérateur linéaire à basse fréquence (433 MHz) capable ..d’accélérer des pulses de forte charge (env. 15 nC) • Un klystron conçu pour fournir des macroimpulsions de 100 à 150 µs ..(TH2118, 6 MW crête, 200 kW moyen) • Un demi-tour assurant une compression magnétique (50 ps/%E) …. courant crête env. 300 A SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 3 Schéma d’ELSA Faisceau L.E.L. Cavité optique H3 K0 K1 K2 L1 K3 Onduleur pilotable à distance H2 1/2 tour non isochrone achromatique Spectromètre magnétique Accélérateur 16 MeV 433 MHz H1 Coupe de Faraday L3 Coupe de Faraday Bâti transfert photocathode E1 G1 1m Diagnostics électrons Moniteurs de position Mesure Ecran de courant amovible Transport électrons Laser pilote (266 ou 532 nm) Photo-injecteur 3 MeV 144 MHz Bobine de Quadripôle Déviateur focalisation Casemate de 5 m x 12 m : installation compacte 1/2 tour = injection dans la cavité LEL et compression magnétique SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 4 Le photoinjecteur d’ELSA Photocathode Durée de vie Efficacité quantique Longueur d’onde laser SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Cs3Sb (ou K2CsSb) Ultra-vide (10-10 mbar) Plusieurs jours 1 to 2 % Cs2Te 532 nm (KTP) 266 nm (BBO) Alain Binet robuste 5 to 10 % 5 Bâti photocathode et photoinjecteur SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 6 Structure temporelle Structure temporelle du faisceau d'électrons d'ELSA 6,9 ns x N Micro-impulsion 69 ns 30 ps (10 à 60 ps) 140 µs (0 à 140 ps) (de 1 à 20000 impulsions avec contrôle par MEO du laser pilote) 19 MeV 5 GW 170mJ 300 A 10 nC Macro-impulsion 2000 impulsions 2,5 MW 350J 150 mA Cycle utile 0,14% (Mod-Kly : 1-2%) 3,5 kW 200 µA 100 ms (100 ms à monocoup) SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 7 Schéma du laser pilote d’ELSA 3 5 1 Tête Nd:YAG lampe Kr Quantronix ML 416 - 72,22 MHz Ampli 1 2 Ampli 3 4 Pockels 2 7 6 Pockels 1 Ampli 2 rése au Ampli 0 réseau Autocorrélateur(8) 70 µs 6 8 1 W _ 15 nJ Amplification lumineuse 70 µs 20 ps 20 ps 7 W _ 100 nJ 69 ns 10 µJ 20 ps 5 3 Vers Photocathode Mise en forme de la macro-impulsion Compression optique Oscillateur pilote 100 ps CBF Caméra 7 10 mJ Doublage de fréquence SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 8 Développement d’un nouveau laser pour ELSA Pompage longitudinal par diode laser d’un cristal Nd:YAG ou Nd:YVO4 Verrouillage de mode par SESAM (SEmi-conductor Saturable Absorber Mirror) Fibre Nouvelle tête laser : petit cristal Nd:YAG cristal (4 x 4 x 6 mm3) pompé longitudinalement par une diode laser fibrée, refroidi par conduction (pas d’eau = moins de vibration) Miroir arrière de la cavité Buts : Stabilité et fiabilité impulsions plus brèves (<10 ps), ajustables par Fabry-Perot intra-cavité SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet Dispositif imageant la sortie de fibre dans le Nd:YAG 9 Contrôle spatial du profil transverse du laser Meilleur contrôle de l’éclairement de la photocathode Meilleure utilisation de la puissance laser Contrôle du profil du faisceau d’électrons pour optimiser l’émittance entrée: faisceau gaussien Sortie: faisceau plat obtenu par mis en forme du front d’onde 1.5 1 a.u. 0.5 0 " 50 100 a.u. 150 200 Forme asphérique l’excès d’énergie au centre du faisceau est réparti sur les bords SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 10 Plan général de l’installation ELSA L2 D 4 P1E 8 8 E 4 4 Modulateur 7 Klystron 4 Salle Laser ou diagnostics LEL C A 5 P1F générateur et transport RF 433 MHz LASER PK B 3 P1L Salle de Commande Contrôle 2 P1H générateur et transport RF 144 MHz 1 6 ligne 0° C P1C ACCELERATEUR : 1. Transfert Photocathodes 2. Cavité RF 144 MHz 3. Cavités RF 433 MHz 4. Cible d'arrêt DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX 5. Demi-tour D. Expérimentations X - 6. Spectomètre et cible d'arrêt 7. Compresseur magnétique 8. Quart de tour E. Expérimentations X - SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 A. Expérimentations X - g B. Expérimentations LEL C. Cavité optique LEL ou exp. X - g g Alain Binet : g 11 Nouvelles lignes pour de nouvelles applications Porte lourde 1 856 480 600 15,0° 2 P1E 645 C P1C C : Compresseur magnétique 1 : Production d’X durs 2 : Ligne bas bruit ou très forte intensité SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 12 Compresseur magnétique double-alpha Dipôles alpha Vue de côté: Le compresseur est dans un plan vertical G1 800 mm But • Compression temporelle (R56= 3 ns) • Translation verticale de l’axe du faisceau de 800 mm • Conservation d’une bonne émittance Dipôle Alpha Gradient de champ constant pour z > 0, Bz= Gx, Bx=Gz et By=0 pour z < 0, B = 0 • Achromatique, si incidence = 40,71° • Trajectoires homothétiques en g1/2 SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 13 Dipôle Alpha Acier doux (XC06), 0.2 y (m) 0.1 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 -0.1 -0.2 z (m) Shunt d’entrée À 10 et 17 MeV : trajectoires dans un gradient de champ constant (1T/m) emplacement de la bobine inférieure bâton dans la gueule du “croco” (Acier amagnétique 316L) entrefer réglable profil hyperbolique bobine Simulation Poisson 2D annulation de l’intégrale de champ en sortie (entrefer réglable) SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 14 Contrôle de la position du faisceau Sensibilité : 0,5 mA Précision : 100 µm Dynamique : 80 dB 180 0 0 0 A B att 20 dB SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 15 Extraction de fortes charges 0.1 nC or 100 nC (or 0.1 nC) cathode z=0 (max=266mT) Bz field along axis ) t0 t0+0.4 ns t0+0.8 ns emittance: @z=340mm t0+1.2 ns Simulation de l’extraction de forte charge sur le photoinjecteur d’ELSA avec MAFIA SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 16 Mesures de l’émittance Mesures de l’émittance transverse par la technique des 3 gradients • Mesure du profil sur écran à Rayonnement de Transition Optique • Acquisition de l’image avec une caméra CCD intensifiée (utilisation de la dynamique) • Traitements: soustraction du fond, moyennage, correction de l’effet de la charge d’espace A basse charge, l’émittance rms normalisée mesurée (1 µm) est proche de l’émittance thermique, estimée entre 0,5 et 1 µm pour un rayon de photocathode de 2 mm SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 17 Un photoinjecteur de 3,7 MeV Principe: appliquer un bouclage réactif sur l’ampli à tétrode ampli piquage +14 dB -0.1 dB 100kW 2500kW 90° 50kW 2450kW -17 dB hybride pré-ampli cavité 50kW 90° 270° 0kW charge Intérêt: - augmenter l’énergie du faisceau - augmenter la charge extractible - amélioration de l’émittance Actuel Bientôt SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Puissance de sortie tétrode 1,3 MW 2,5 MW Énergie du faisceau 2,7 MeV 3,7 MeV Alain Binet 18 Conclusion ELSA est plus qu’un LEL. ELSA est utilisé pour la caractérisation et la calibration des détecteurs montés sur les grandes installations de la DAM (AIRIX, LIL et laser MEGAJOULE) Les développements autour du photoinjecteur doivent permettre des études, sur la physique des faisceaux, de grande qualité. SFP Journées Accélérateurs / Porquerolles 2003 Alain Binet 19
