# Presentation: 550628

## Etude expérimentale du photo-injecteur de Fermilab

- Soutenance de thèse
- Jean-Paul Carneiro
- Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire
- Auditorium Pierre Lehmann
- Mercredi 23 Mai 2001, 14H00

## Plan de l’exposé

- 1. Introduction
- 2. Description du photo-injecteur
- 3. Expériences
- 	• Courant d’obscurité
- 	• Efficacité quantique
- 	• Emittance transverse
- 	• Longueur des paquets
- 4. Conclusion

## L’ACCELERATEUR TESLA

- _L’ACCELERATEUR TESLA_

## L’ACCELERATEUR TESLA TEST FACILITY (TTF)

- _L’ACCELERATEUR TESLA TEST FACILITY (TTF)_

- ~ 100 meters

- • Contribution principale de Fermilab à TTF :
-           - Developpement, Fabrication et Installation du photo-injecteur de TTF.

- • R&D effectué par 9 pays et 40 institutions.

## LES PHOTO-INJECTEURS DE DESY ET DE A0

- • Developpement du photo-injecteur de TTF effectué au Fermilab de 1993 à 1997.
- (Thèse de E. Colby)

- • Fabrication en 1998 de 2 photo-injecteurs identiques.

- • Installation à DESY du premier.
-   (Décembre 1998)

- • Installation au Fermilab (Hall A0) du second.
- (Mars 1999)

- But : poursuivre l’étude de la dynamique
- du faisceau dans un photo-injecteur.

- But : délivrer du faisceau à TTF.

## Bz

- Bz

- Bz

- Bz

- Solénoïde de
- contre-champ
- ~2000 G

- Solénoïde
- primaire
- ~2000 G

- Solénoïde
- secondaire
- ~800 G

- Photo-cathode

- Impulsions
- Laser UV

- Paquets d ’électrons

- Guide d ’onde

- _PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU PHOTO-INJECTEUR_

- Miroir

- Canon HF ; 1.5 cellules
- TM010, ; 1.3 GHz
- 40 MV/m ; 3 MW
-  5 MeV

## SCHEMA DU PHOTO-INJECTEUR INSTALLE AU FERMILAB

- ~ 15 m

- Chicane

- Cavité
- supraconductrice

- Spectromètre

- Cibles de Faraday

- Doublet

- Triplet

- Triplet

- Triplet

- Chambre de préparation
- des photo-cathodes

- Canon HF
- et solénoïdes

## PARAMETRES DU FAISCEAU 

- Energie totale

- Emittance normalisée à 1 nC

- Emittance normalisée à 8 nC

- ~17-18 MeV

- 2-3 mm-mrad

- 15 mm-mrad

- Q = 8 nC

- Temps

- Courant moyen

- 8 mA

- 800 μs

- 100 ms

- • _Structure temporelle_

- • _Energie, Emittance (après la cavité supraconductrice)_

## LASER 

- Oscillateur Nd:YLF
- 81,25 MHz

- 2 km de fibre optique

- Cellule de Pockels
- 1 MHz

- Amplificateur multi-passages
- Nd-verre

- Amplificateur double-passage
- Nd-verre

- 12 nJ/impulsion
- 60 ps
- 1054 nm

- 2.5 nJ/ /impulsion
- 400 ps

- 800 /impulsion
- 2 nJ/pulse
- 400 ps

- 100 μJ/ /impulsion
- 400 ps

- 0.8 mJ/ /impulsion
- 400 ps

- 600 μJ/ /impulsion
- 400 ps

- 400 μJ/ /impulsion
- 4,2 ps

- 100 μJ/ /impulsion
- 4,2 ps
- 532 nm

- 20 μJ/impulsion
- 4,2 ps
- 263 nm

- 10 μJ/ /impulsion
- 10,8 ps
- 263 nm

- _LASER_
- (Université de Rochester, Etat de New-York)

- Filtrage spatial

- Compresseur

- Cristaux BBO

- Superposeur
- d’impulsions

## LA CHAMBRE DE PREPARATION DES PHOTO-CATHODES

- _LA CHAMBRE DE PREPARATION DES PHOTO-CATHODES_
-  (INFN-Milan)

- • Dépôt d’une fine couche (quelques nanomètres)
-   de tellure et de césium sur le substrat
-   en molybdène.
- • Un système de bras articulés permet de transférer
-   sous ultra-vide (~10     mbar) la photo-cathode
-   jusqu’au canon HF.

## LE CANON HF ET LES SOLENOIDES (Fermilab & UCLA)

- SOLENOIDEDE CONTRE-CHAMP

- SOLENOIDE
- SECONDAIRE

- _LE CANON HF ET LES SOLENOIDES_ (Fermilab & UCLA)

- CANON HF

- SOLENOIDE
- PRIMAIRE

## LA CAVITE SUPRACONDUCTRICE (DESY & IPN-Orsay) 

- _LA CAVITE SUPRACONDUCTRICE_ (DESY & IPN-Orsay)
- & _LA CHICANE_  (Fermilab)

- CHICANE

- CRYOSTAT DE LA CAVITE
- SUPRACONDUCTRICE

_*Paramètres de la cavité de capture*_

_*Paramètres de la chicane*_

- • fonctionne à 12 MV/m sur l’axe.

- • 4 dipôles de forces égales.
- • fonctionne à ~700 Gauss
- • courbe dans le plan vertical
- • Rapport de compression ~5 - 6
-    (théorie et mesure)

## SECTION A FAIBLE BETA

- _SECTION A FAIBLE BETA_

- _L’ENSEMBLE DE LA LIGNE DE FAISCEAU_

- SPECTROMETRE

- EXPERIENCE ACCELERATION
- DANS UN PLASMA

## MESURES DU COURANT D’OBSCURITE

- • _Principe de mesures_ : En utilisant une cible de Faraday à z  0.6 m.

- Contre-champ
- Icc

- Primaire
- Ip

- Secondaire
- Is

- Cible de Faraday

- • canal 1 : puissance incidente dans le canon HF
- • canal 2 : cible de Faraday

- _Signaux de l ’oscilloscope_

## Comparaison du courant d’obscurité : Mars 99 / November 00

- Icc=Ip=Is= 0 A

## D’où vient le courant d’obscurité?

- _D’où vient le courant d’obscurité?_

- • Visualisation du courant d’obscurité et du photo-courant à z    6.5 m

- Contour de la photo-cathode

## Nombre d ’électrons transmis

- Q [nC] = Charge du paquet mesurée avec
-                 un ICT ( à z=0,6 m )

- E [μJ] = Energie de l ’impulsion UV
-               incidente mesurée avec un
-               mesureur d ’énergie.

- Nombre de photons incidents

- • EQ =

****

- 0, 47 

- Q [nC]

- E [μJ]

- • Nous avons utilisé depuis 2 ans la même
-   photo-cathode dans le canon HF sans détérioration
-   de son efficacité quantique (0,5 - 4 %).

## Mesure de la charge maximale extraite du canon HF.

-  = 1.3 mm, z = 10.8 ps FWHM, Eo = 35 MV/m, Icc=Ip=Is= 220 A

## Laser

- Canon HF

- Cavité de
- capture

- • Le photo-injecteur est un ensemble à 8 paramètres libres :

- • _But_: Déterminer, pour une charge Q donnée, l’ensemble des paramètres donnant l’émittance
-            transverse minimimun (chicane “dégaussée”).

## • Comment mesure-t’on l’émittance transverse : par la méthode des fentes

- • Ouverture des fentes : 50 μm
- • Epaisseur des fentes : 6 mm
- • Espacement entre fentes : 1mm

## ~ 15 m

- Spectromètre

- Doublet

- Triplet

- Triplet

- Triplet

- Canon HF
- et solénoïdes

- _Localisation des fentes pour les mesures de l’émittance_

- z ~ 3.8 m
- Ex

- ~ 9.5 m
- Ex et Ey

- ~ 6.5 m
- Ex et Ey

- Chicane

- Cavité
- supraconductrice

## Exemple: mesure de l’émittance d’un faisceau de 8 nC à z~3.8 m, échantillons à z = 384 mm

- Position [mm]

- Position [mm]

- Intensité  [u. a.]

- Intensité  [u. a.]

- _Exemple_: mesure de l’émittance d’un faisceau de 8 nC à z~3.8 m, échantillons à z = 384 mm

- FAISCEAU X3

- ECHANTILLONS X4

## Comment a-t’on procédé pour les mesures de l’émittance  ?

- _Comment a-t’on procédé pour les mesures de l’émittance _ ?

- _PARAMETRES FIXES_

## Emittance Vs. Phase d ’injection ø0 (z = 3.8 m)

- Q = 1 nC, Eo = 35 MV/m,  = 0.8 mm

- Q = 0.4 nC

- Q = 0.8 nC

- Q = 0.5 nC

## Emittance Vs. Courant dans les solénoïdes (z = 3.8 m)

- Q = 8 nC, ø0 = 40 deg, Eo = 30, 35, 40 MV/m,  = 1.6 mm

## Min Emit à 0.5 mm, 260 A

- Emittance Vs. Courant dans les solénoïdes (z = 3.8 m)
- Q = 1 nC, ø0 = 40 deg, Eo = 40 MV/m,  = 0.5, 0.8 & 1.0 mm

## Cas Q = 1 nC,  = 0.5 mm	

- Cas Q = 1 nC,  = 0.5 mm

## Cas Q = 8 nC,  = 1.6 mm	

- Cas Q = 8 nC,  = 1.6 mm

## Emittance Vs. Charge  (z = 3.8 m)

-     ø0= 40 deg, Eo = 40 MV/m, z = 10.8 ps FWHM

- HOMDYN prédit une diminution
- de l ’émittance d ’un facteur 2 pour
- z = 20 ps FWHM.

## Q3 = 1.32 A, Q4 = -2.42 A, Q5 = 1.32 A.	

- ø0 = 40 deg, Eo = 40 MV/m,  = 0.8 mm, Icc=Ip=Is= 255 A
- Q3 = 1.32 A, Q4 = -2.42 A, Q5 = 1.32 A.

- Premier
- triplet

- 6.5 m

- 9.4 m

## Q3 = 1.3 A, Q4 = -2.6 A, Q5 = 1.3 A & Q6 = 2.2 A, Q7 = - 4.2 A, Q8 = 2.2 A.	

- ø0 = 40 deg, Eo = 40 MV/m,  = 1.6 mm, Icc=Ip=Is= 245 A
- Q3 = 1.3 A, Q4 = -2.6 A, Q5 = 1.3 A & Q6 = 2.2 A, Q7 = - 4.2 A, Q8 = 2.2 A.

- 6.5 m

- 9.4 m

- Premier
- triplet

- Second
- triplet

## CAS Q = 1 nC

- Z [m]

- HOMDYN

- PARMELA

- 3.8

- 11

- 40.7

- 6.5

- 12.5

- 39.1

- 6.5

- 9.7

- 40.5

- 9.4

- 8.5

- 39.3

- 9.4

- 16.4

- 41.2

- 10.0 ± 0.1

- 11.6 ± 0.5

- 8.9 ± 0.7

- 14.4 ± 0.5

- 18.3 ± 0.9

- Z [m]

- Mesure

- HOMDYN

- PARMELA

- 3.8

- 1.7

- 9.2

- 6.5

- 1.7

- 9.1

- 6.5

- 1.4

- 9.2

- 9.4

- 1.6

- 9.6

- 9.4

- 0.9

- 9.6

- 4.1 ± 0.3

- 5.0 ± 0.2

- 5.1 ± 0.2

- 6.8 ± 0.2

- 5.8 ± 0.2

- _CAS Q = 1 nC_

- _CAS Q = 8 nC_

- Emit. Norm. Y

- Emit. Norm.. X

- Emit. Norm. Y

- Emit. Norm. X

- Emit. Norm. Y

- Emit. Norm. X

- Emit. Norm. Y

- Emit. Norm. X

- Emit. Norm. Y

- Mesure

- _Emittance transverse le long de la ligne de transport._

## MESURES DE LA LONGUEUR DES PAQUETS

- • _Principe _: - Utilisation d’une caméra à balayage de fente HAMAMATSU
-                      de 1.8 ps de résolution
-                    - Ecran RTO à z = 6.5 m + système optique (2 m)

- Caméra à balayage
- de fente

- Ecran RTO

## Exemple: Mesure de la longueur de paquets de charge 8 nC à z~6.5 m.

- Temps [ps]

- Temps [ps]

- Intensité  [u. a. ]

- Intensité  [u. a. ]

- MODE STATIQUE

- MODE DECLENCHE

- _Exemple_: Mesure de la longueur de paquets de charge 8 nC à z~6.5 m.

## Longueur de paquets Vs. Charge  

- ø0 = 40 deg, Eo = 40 MV/m,  = 2.1 mm, z = 10.8 ps FWHM
- Icc=Ip=Is= 240 A

## PRINCIPE DE COMPRESSION AVEC LA CHICANE 

- P>Po

- P=Po

- P<Po

- _PRINCIPE DE COMPRESSION AVEC LA CHICANE _

- Po

- QUEUE
- P>Po

- TETE
- P<Po

- QUANTITE DE MOUVEMENT

- QUANTITE DE MOUVEMENT

- PHASE

- PHASE

## Compression Vs. Phase de la cavité de capture

- Q = 8 nC, ø0 = 40 deg, Eo = 40 MV/m,  = 2.1 mm, z = 10.8 ps FWHM
- Icc=Ip=Is= 240 A

## SIMULATION HOMDYN

- 0

- 5

- 10

- 15

- 20

- 25

- 30

- 35

- 0

- 2

- 4

- 6

- 8

- 10

- 12

- 

- x,n

- 

- y,n

- Position longitudinale [m]

- chicane

- entrée    sortie

- _SIMULATION HOMDYN_
- Variation d’émittance le long de la ligne de transport
- pour un faisceau comprimé de charge Q = 8 nC.

- • Rayonnement Synchrotron Cohérent
-    (Etude en cours au CTF DU CERN)

## CONCLUSIONS

*Avant compression*

- Impulsions laser FWHM

- Impulsions laser RMS

- Phase d’injection

- Champ accélérateur crête ds le canon

- Emittance transverse RMS norm.

- Dispersion en énergie

- Longueur des paquets

- Courant crête

*Après  compression*

- Longueur des paquets

- Courant crête

- Q = 1 nC

- Q = 8 nC

- Prédiction

- Mesure

- Prédiction

- Mesure

- 8 ps

- 10.8 ps

- 28 ps

- 10.8 ps

- 0.7 mm

- 0.8 mm

- 1.5 mm

- 1.6 mm

- 45°

- 40°

- 45°

- 40°

- 35 MV/m

- 40 MV/m

- 35 MV/m

- 40 MV/m

- 2.5 mm-mrad

- 1.2 %

- 1.27 mm

- 80 A

- 3.02 mm-mrad

- 1 mm

- 120 A

- 3.7 ± 0.1 mm-mrad

- 0.25 ± 0.02 %

- 1.6 ± 0.1 mm

- 75 A

*non-mesuré*

*non-mesuré*

- 0.55 ± 0.07 mm

- 218 A

- 4.2 %

- 4.3 mm

- 276 A

- 11 mm-mrad

- 15 mm-mrad

- 1 mm

- 958 A

- 0.55 ± 0.05 mm

- 1741 A

- 330 A

- 2.9 ± 0.2 mm

- 12.6 ± 0.4 mm-mrad

- 0.38 ± 0.02%

- _Comparaison Prédiction (Parmela, Fermilab 1994) et Mesure (1999 ____ 2001)_

- _CONCLUSIONS_

- Emittance transverse RMS norm.

## CONCLUSIONS (suite et fin)

- • Etudes futures possibles:
-    - Poursuivre les études du courant d’obscurité (origines)
-    - Poursuivre l’étude de l’optimisation de l’émittance transverse d’un faisceau
-      non-comprimé (impulsion laser de 20 ps FWHM).
-    - Mesurer et optimiser l’émittance d’un faisceau comprimé.
-    - Comprendre le désaccord entre PARMELA et les mesures.
-    - Poursuivre les expériences en cours (Accélération de particules dans un plasma).