ELYSE : Mesures (non destructives) de paquets d` électrons

ELYSE : Mesures (non destructives)
de paquets d’ électrons
J. R. Marquès (a), H. Monard (b), U. Schmidhammer(b), V. De Waele (b), Nicolas Bourgeois (a),
J.L. Marignier (b), J.P. Larbre (b), F. Gobert (b), M. Mostafavi (b)
(a)
Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses
UMR7605, Ecole Polytechnique, Palaiseau (France)
(b)
Laboratoire de Chimie Physique – ELYSE
UMR8000 Université Paris Sud, Orsay (France)
SFP accélérateurs 2009, 11-14 octobre, Roscoff
Contexte
Motivations :
Développer un diagnostic MONOCOUP – NON DESTRUCTIF
permettant de mesurer :
- le profil temporel (longitudinal)
d'un paquet sub-ps (< 300 µm) d'électrons
- les fluctuations tir à tir du paquet
(temps d'arrivée, charge, ...)
avec la plus grande sensibilité possible (paquet de faible charge)
Applications : - Contrôler durée et synchro laser-électrons dans les LEL
- Mesurer la durée extrêmement brève (~10 fs) des paquets créés
par accélération laser-plasma
- Mesurer n'importe quel champ électrique ~ THz
- bien plus
Méthode :
Echantillonnage Electro-Optique du champ électrique du paquet d'e-
Champ électrique d'un électron relativiste

E=
−
e
4  0 r

2
2
2 2
 1 − sin 
3/2
angle vitesse - axe d'observation
ψ
e-
E long= −
e
4  0 x
Elong= 3.6x10-6 V/m
1 2

ux
2
ur
x

E perp = −
γ = 20 ; r = 1 mm
Electron relativiste

e
4  0 y
2
 uy
Eperp = 0.03 V/m
champ transverse
Evolution du champ en un point d'observation
z
E y  t = −
e

4 0 b 2 [ 1 2 2  ct / b 2 ]3/ 2
y
e-
b

e
4  0 b
2
E x t =−
γ= 40
B z t= 
b = 1 mm
t =
ct
b
x
E y t 
E y t 
c
1.5 b
 c
b mm 
 t  ps ~ 5

pic
E y kV /m / pC  ~ 9

b 2  mm
ex :  = 20 et b = 1 mm
 ∆ t ~ 250 fs
Epic ~ 0.2 MV/m/pC
Réponse d'autant plus courte et intense que b petit et  grand
Principe du diagnostic Electro-Optique
Idée : induire un effet Pockels avec le champ électrique des électrons
Impulsion laser
courte
paquet
d'électrons
E⊥
Polariseur
Analyseur croisé
γ
Cristal biréfringent
E⊥
Modification de l'ellipsoïde d'indice du cristal
par le champ électrique des électrons
 rotation de la polarisation du laser sonde
L
  = 2  E

Coefficient lié au cristal
Longueur du cristal
Longueur d'onde du laser sonde
Le champ des électrons
créé une porte optique
Ex : Cristal de ZnTe <110>
de 1 mm d'épaisseur
 =  pour E = 4.4 MV/m
Diagnostic non-destructif, haute résolution temporelle possible
Configurations de détection
En extinction :

2
 << 1  signal ~  ~ E 2
I =I 0 sin   
Polariseur
Cristal
Polariseur
biréfringent
croisé
Différentielle :

I p=
I0
{1−cos[ 2    0 ] }
2

 0=
Lame /4
Prism de
Wollaston
4
I
I s= 0 {1cos[ 2   0 ] }
2
 0=


4
I p −I s
I p I s
=sin  
 << 1  signal ~  ~ E
En extinction partielle:

I=
Polariseur
Lame
Cristal
/2 Polariseur
biréfringent
croisé
I0
{1−cos [ 2   0 ]}s fond I 0
2
 0≪1
 << 1
 signal ~  ~ E
et  << 1
Différentielle : - insensible aux fluctuations du laser et du cristal
- ~ linéaire avec le champ des électrons
- meilleure sensibilité
Configurations d'échantillonnage
Récurrent :
Ligne à retard
Dispositif EO
CCD ou diode
Laser fs
Paquet
 bonne résolution temporelle,
imagerie 2D possible, mais :
- nécessite un grand nombre de tirs
- ne peut mesurer les fluctuations tir à tir
d'électrons
Ex : X. Yan et al., Phys. Rev. Lett. 85, 3404 (2000)
Monocoup encodage temps - fréquence:
Dispositif EO
Spectromètre
Etireur
Laser fs
t = 
Paquet
d'électrons
 1 tir = profil temporel complet, mais :
- résolution temporelle limitée par le produit de
la largeur spectrale (durée minimale) par
l'étirement du laser sonde rés =  min étirée
- artéfacts possibles

Ex : S.P. Jamison et al., NIM A 557, 305 (2006)
Monocoup encodage temps - espace:
y
Dispositif EO

Laser fs
et
Paqu
CCD
s
ctron
d'éle
Dispositif EO
t = y tan 
Cristal
doubleur
Ex : J. Shan et al., Opt. Lett. 25, 426 (2000) ;
A. L. Cavalieri et al., Phys. Rev. Lett. 94, 114801 (2005)
 1 tir = profil temporel complet,
Bonne résolution temporelle, mais :
- nécessite un profil spatial du laser parfait
- sensible aux fluctuations spatio-temporelles
du laser
- fenêtre en temps restreinte
Laser ~ ps
Paquet
d'électrons

CCD
t = y tan 
Laser fs
Ex : G. Berden et al., Phys. Rev. Lett. 93, 114802 (2004)
Thèse B. R. Steffen, 2007, DESY-FLASH
Diagnostic EO monocoup développé à ELYSE
Objectifs et Méthodes :
- grande sensibilité et insensibilité aux fluctuations :
- monocoup :
détection différentielle
encodage temps – fréquence
- haute résolution temporelle et large fenêtre temporelle :
Spectre en fréquence du laser sonde ultra-large (300 nm), obtenu par
génération de
min ~
2

rés=  min étirée
super-continuum
min  fs~
470
nm 
rés  ps ~m 

étirée  ps
 nm
ex:  = 300 nm,  = 0.8 µm
min ~ 2 fs
fenêtre de étirée = 5 ps
rés ~ 10 fs
 détection différentielle polychromatique
 (nm)
Dispositif expérimental
t (ps)
Laser Ti:Sa - 1 kHz
790 nm – 200 fs – 1 mJ
1 µJ
Génération de
continuum
Etireur
Ligne à
retard
Horloge RF
Lames séparatrices
de polarisation
Spectromètre
optique
P
Tripleur (263 nm)
Scintillateur
amovible
klystron
Fibre optique
LINAC (vide)
e-
(air)
Photocathode
LINAC, 50 Hz
0.1 à 9 MeV
0.1 à 4 nC
0.1 à 10 ps
Ecran de
blindage
/4
EO Cristal
ZnTe
0.5 mm
lentille
CCD 16 bit
Dispositif expérimental, zoom
Laser sonde
spectre large
(continuum)
polarisé
Ecran lanex
(scintillateur)
amovible
Vers le détecteur différentiel
25 mm
vide
Fenêtre de sortie
de l'accélérateur
(Al 15 µm)
air
Faisceau d'électrons
Cu
6 mm
4 mm
Cristal EO
(ZnTe)
Dispositif expérimental : table de mesure EO
Faisceau d'électrons
Vers le
spectromètre optique
Laser
sonde
Fibres optiques
Faisceau
électrons
Laser sonde
Cristal
birefringent
(ZnTe)
Scintillateur
amovible
(profil spatial
faisceau
d'électrons)
Prisme de
Wollaston
(séparateur des
polarisations)
Lame quart-d'onde
(équilibreur)
Spectres typiques d'une mesure différentielle
20 tirs consécutifs
- Sans électrons
- Avec électrons
Calibration et test de résolution temporelle
Idée : mesurer la porte optique par effet Kerr induite par une impulsion laser sub-ps
Laser Ti:Sa - 1 kHz
790 nm – 200 fs – 1 mJ
1 µJ
Génération de
continuum
Etireur
Lames séparatrices
de polarisation
Fibre optique
Ligne à
retard
45°
Spectromètre
optique
P
Lase
r
lentille
« po
mpe
CCD 16 bit
/4
»
Lame
de silice
(1 mm)
Profil temporel de l'effet Kerr
 (rad)
Position
spectrale (nm)
L
n I
 2 pompe
(t) ~ Ipompe(t)
Calibration de l'encodage Temps - Fréquence
Delai de la ligne à retard (ps)
  =2 
Mesures à 2 retards
(→ 2 parties
du spectre sonde)
Temps (ps)
Mesure d'un paquet d'électrons, résultat typique
sonde (nm)
sin  =
I p −I s
E=
I p I s


3
2  L n 0  r 41
Mesures à 2 retards du sonde
(→ 2 parties du spectre laser sonde)
Paquet d'électrons : E = 8 MeV, Q = 140 pC
Cristal EO : ZnTe <110>, épaisseur L = 0.5 mm, distance b ~ 4 mm
Résolution limitée par la distance au cristal et l'énergie des électrons :
Estimation à la louche :
FWHMpaquet ~ 3.5 t

pic
E max
E
~ y
3.5
pic
avec : E y kV /m / pC  ~ 9
 t  ps ~ 5

b  mm
2

b  mm 
~ 1.3

Emax ~ 350 kV/m
Contribution du Rayonnement de Transition Cohérent (CTR)
Idée :
Essayer de séparer le champ EM du CTR du champ statique des électrons
Laser sonde
spectre large
(continuum)
polarisé
Vers le détecteur différentiel
CTR
vide
air
Faisceau d'électrons
Fenêtre de sortie
de l'accélérateur
(Al 15 µm)
Lame de BK7
3 mm
THz ~ 2.5 
Cristal EO
(ZnTe)
~ 15 ps
On s'attend à un retard
du THz (CTR) de ~ 15 ps
Suppression du CTR « facile » : placer le cristal EO sous vide
(au champ de sillage près)
Comparaison EO – Caméra à balayage de fente
Méthode :
Produire une émission Cherenkov (instantanée ) dans un cristal,
et la mesurer avec une caméra à balayage de fente
Faisceau d'électrons
Lumière Cherenkov
Sapphire
0.5 mm
S
op pec
tiq tro
ue m
èt
re
St
vis rea
ib k
le
Moyenne sur 20 tirs
FWHMEO = 8 ps
FWHMStreak = 8.6 ps
Spectromètre +
Streak Hamatmatsu C7700
Résolution de l'ensemble :
trés ~ 5 ps
Influence de la charge sur la durée
b = 4 mm
Ec = 7.9 MeV
Note : même à b = 4 mm
le diag EO permet de mesurer 60 pC
(E ~ 100 kV/m,  ~ 50 mrad)
L'énergie des électrons est faible, l'explosion coulombienne fixe la durée du paquet
Influence de la durée du laser de photocathode
b = 4 mm
Ec = 7.9 MeV
2 nC
135 pC
Décroissance très probab
lement liée à la baisse de
charge
105 pC
70 pC
60 pC
L'explosion coulombienne domine, la durée du laser a très peu d'influence
Fluctuations tir à tir du paquet d'électrons
20 tirs consécutifs à 5 Hz
b = 4 mm
  t rés ~ 1.3 ps
 = 16
Fluctuation du diagnostic
Q = 2.3 nC
Le diagnostic EO permet une mesure précise du jitter
Influence de la phase du champ RF sur le jitter temporel
Paquet au maximum du champ RF accélérateur
10 tirs
Phase du champ RF décalée
10 tirs
Jitter : 0.9 ps pic à pic (0.22 ps rms)
Jitter : 3.4 ps pic à pic (0.79 ps rms)
7.9 MeV
6 MeV
Influence du courant du solénoïde de collimation
Canon RF
Booster
Solénoïde
Le profil temporel peut être fortement affecté par les réglages du faisceau
Conclusions
L'échantillonnage Electro-Optique permet une mesure non-destructive
Le supercontinuum permet une:
Grande sensibilité
- très haute résolution temporelle
- large fenêtre temporelle
grâce à la détection différentielle
Supercontinuum + détection différentielle :
Diagnostic monocoup insensible aux fluctuations (idéal pour mesurer le jitter)
Permet de mesurer n'importe quel champ électrique THz
(Coulombien, CTR, CSR, …)
Est d'autant plus performant que  est grand
Résolution temporelle actuellement limitée par le cristal EO (~ 100 fs)
Cadence limitée uniquement par le système d'acquisition (CCD ou barette)
Profil temporel monocoup avec imagerie transverse 1D possible (facile)
Peut être utilisé en mode récurrent pour une imagerie 2D (pointage du faisceau, on l'a fait
)
Un outil unique pour contrôler en direct l'influence des réglages de l'accélérateur
Appl. Phys. B 94, 95 (2009)
Rad. Phys. Chem. 78, 1099 (2009)
EUROFEL-Report-2007-DS1-038
EUROFEL-Report-2007-DS3-056
Bonus
Limite liée à la réponse en fréquence du cristal EO
ZnTe : haut coefficient EO mais limite à ~ 4 THz
GaP : améliore d'un facteur 2 la résolution temporelle …
mais necéssite une faible épaisseur et est moins sensible
Influence de la divergence du faisceau
Comparaison détection Différentielle - Extinction
Détection en extinction
Totale (  = 0)
ou
Partielle (  << 1)
Détection différentielle