Super ACO La voie vers les machines de 3 ème Génération

Journées Accélérateurs de la SFP - Porquerolles - 2003J.C. Besson

Super ACOLa voie vers les machines de 3ème Génération

Bât 209D Centre Universitaire - B.P. 34 - 91898 Orsay Cedex

http://www.cea.fr/

http://www.cnrs.fr/

http://www.education.gouv.fr/recherche/default.htm


SOMMAIRE

• Le rayonnement synchrotron dans le contexte de

LURE

• Caractéristiques principales de Super ACO

• Quelques expériences remarquables en

dynamique des faisceaux

• Quelques innovations technologiques

• Performances en routine pour les utilisateurs


LES INSTALLATIONS DU LURE

• 1955 : Construction du LALPhysique des Hautes Energies:– Construction ACO 1965– Construction DCI 1975

• 1972: Création du LURE• 1985: Installations dédiées au

Rayonnement synchrotron

• 1987 Super-ACO optimisée pour le RS

X mous VUV visible et IR

• LELs: ACO en 83, Super-ACO en 87, CLIO en 91


LE RAYONNEMENT SYNCHROTRONLa première génération de synchrotronsForte émittance, utilisation des dipôles

Onduleur

La deuxième génération: émittance réduite, mais peu de sections droites

Rayonnement

Paquets d’électrons


LE RAYONNEMENT SYNCHROTRON

La troisième génération• Grand nombre d’insertions,• Source de dimension très

petite

Facteur de qualitéBrillance:

flux émis divisé par la surface et le cône d’émission de la source


CARACTERISTIQUES PRINCIPALES

Circonférence 72 mEnergie 800 MeVEmittance 38 nm.rad

Super Périodes 4 symétriques

Sections Droites 8

Insertions 6Familles deQuadrupôles Hexapôles

44

Fréquence RF 100 MHzHarmonique 24Cavité Harmonique 500 MHz

2 Modes d'Opération

Positrons

24 Paquets 2 Paquets

Haut Flux Structure Temporelle

400 mA 2 x 100 mA

Sur Résonance de Couplage

Avec Excitation Verticale

= 15 h = 12 h

Super-ACO est optimisé pour le rayonnement V UV c = 0.67 keV (c = 18.5 Å)

Complémentaire de DCI, rayonnement X : c = 3.7 keV (c = 3.3 Å)B(T) (GeV)E 0.665 (keV)ε 2

c


CHOIX DE LA MAILLE

x = 4.72 z = 1.70 = 1.48 10-2

N / (GeV)E F(maille)ε 32x

• x = 38 nm.rad• x min / x = 0.84• L (sections droites)/ Circonférence = 0.39

"Expanded Chasman-Green"

Double Bend Achromat

Chasman-Green

Triplet Achromat

Triple Bend Achromat

QF Dipole QD

FODO

Double-Double Bend Achromat

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18s (m)

x (m)

z (m)

Dx (m)

Double Bend Achromat


DYNAMIQUE DE FAISCEAU: INSTABILITES

Instabilités transverses internes au paquet (monopaquet fort

courant)• Impédance de la chambre à vide

couplage des modes « tête-queue »• Mise en évidence du rôle de la

chromaticité (première)

= 0 Iseuil = 30 mA

= 2.35 Iseuil > 150 mA

Pour = 2.35, à faible courant, des satellites apparaissent de chaque coté de la fréquence betatron . Les modes 0 et –1 qui se confondaient à 30 mA pour = 0 restent toujours séparés et l’instabilité disparaît.Bon accord avec la théorie du

couplage des modes tête-queue

Pour = 0, à faible courant, une seuleFréquence betatron


DYNAMIQUE DE FAISCEAU: INSTABILITES

• Instabilités longitudinales multipaquets

• Impédance des modes supérieurs de la cavité

• Mise en évidence du rôle de la cavité harmonique: Amortissement de Landau

•Cavité 100 MHz 24 modes couplés(420 mA)

Double système RF 100 MHZ + 500 MHz (mode passif)

Déphasage approprié pente 0 pour la RF totale vue par le faisceau

•Double système RF 100 MHZ + 500 MHz (mode passif) Parfaite stabilité

En routine optimisation de la phase pour avoir le meilleur compromis stabilité/durée de vie


MACHINE QUASI-ISOCHRONE

0

50

100

150

200

0 2 5 8 10 12

1= 1.48 10-2

1= 3.6 10-3

L (p

s)

Ipaquet (mA)

1 / 100 avec 2 annulé à très faible courant

0

5

10

15

f s (k

Hz)

0 10 20 30 40

51 10.

1f sfσet ασ s1

Mesures de longueur à 1 / 4

La réduction de longueur n'est effective

qu'à faible courant par paquet

pΔp

α2αα 21


NEGATIF b

(ps)

050

100150200250300350

0 20 40 60 80 100

1 = 0.0148 1 = - 0.0120

Ib (mA)

L'allongement du paquet

avec le courant est plus faible

Pas d'instabilité Tête-Queue, Injection et Stockage SANS hexapôles

b

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 5 10 15 20 25 30 35I (mA)

Spectral analysis ( 0.015 )Beam dimension variation ( 0.015 )Spectral analysis ( = + 0.015 )

E/E

(10-

3)Mais la dispersion en

énergie est plus grande


EMITTANCE MINIMALE THEORIQUE• Emittance la plus petite possible : 9.5 nm.rad

– 10 nm.rad expérimentalement– Dimensions transverses plus faibles, brillance plus grande

• Test comparatif avec les utilisateurs– Brillance x 2– 400 mA dans 24 paquets– durée de vie 9h (comparable à celle de routine : = 6.7 10-3 au lieu de 1.48 10-2 acceptance RF x 1.5)

• Injection difficile– Pas de mise en opération (2 perturbateurs au lieu de 3)– Utilisation pour le L.E.L. avec = 8 10-3


Principe du Laser à Electrons LibresEmission de rayonnement synchrotron dans l’onduleur stocké dans la cavité optique

Interaction électrons-onde optique dans l’onduleur

Amplification pour laser~r : effet laser

r 0

22 1K 2

2

; K 0B0

CaractéristiquesSpectrales: laser= 300-630,largeur spectralenm

Temporelles :Largeur 10-30 ps, fréquence de répétition 8.33 MHzEchelle de la ms : continu ou pulsé

Puissance moyenne extraite : 10-300 mW selon la transmission des miroirs

Point de fonctionnement

= 5 m = 8.10-3

= 12 nm.rad


Feed-back de Position

contrôleorbite

DSP

DSP

DSP

DSP

DSPDSP

DSPDSP

DSP

68000

BPM correcteuréléments matrice

Horizontal Vertical

Fonctions de transfert en boucle fermée

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

1 10 100 1000f (Hz)

avec FB

sans FB

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

1 10 100 1000f (Hz)

avec FB

sans feedback

Première version : 1999 ;

Version actuelle : ADSP2186

mémoire 8 ko

implantation filtre correcteur numérique

différence importante sur la bande passante

entre plan H et V (courants de Foucault)

matrice répartie : 8 DSP

- entrée : les 16 BPM de la machine- sortie : 8 correcteurs dans chaque plan (bobines situées dans les Qpôles)-liaison série rapide (cycle : 60 µs)

-30-27-24-21-18-15-12-9-6-3036

1 10 100 1000f (Hz)

-300

-240

-180

-120

-60

0

60

amplitude (dB)phase

26 Hz

-21

-18

-15

-12

-9

-6

-3

0

3

1 10 100 1000f (Hz)

-210

-180

-150

-120

-90

-60

-30

0

30

amplitude (dB)phase

145 Hz


Feed-back de nombres d’ondes• Mesure automatique (PLL) des deux nombres d’ondes bêtatron Vz et Vx.

- Précision et résolution de 1.10-4- Temps de réponse 5 ms

• Feed-Back lent (1 seconde) via le réseau de pilotage. Associé au feed-back de position, il rend ‘’transparent’’ les variations de champs des insertions pendant les runs utilisateurs.

• Ce système a également permis de doubler la durée de vie des faisceaux 2 paquets.

8.8.8.8C

5ms PilotageSuperACO

1s

RS232

Alim1

Alim2

f’

QF

QF

QD

QD

104.Fref

Fref + Retard

Compt

PLL

ETERNET

1553RS232

VCO

M

Dff’ = Fref - f

e+


L’EXPLOITATION DE SUPER ACO

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

JOURS

89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 0 1 2

Fig. 1.

Analyse en nombre de sessions

Sessions prévuesJours de fonctionnement

Super-ACO

Répartions des runs Super ACO

47%

34%

19%

24 paquets2 paquetsL.e.l


FIABILITE

Rendement faisceau fourni / faisceau possible

84%

89%

86%

88%

95%94% 94% 93% 93% 93%

94% 93% 94% 94%

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 0 1 2 3

Heur

es

Faisceau fournifaisceau possiblerendement


De LURE à SOLEIL

• A partir de 1972 : le LURE est un outil de recherche collectif et indispensable à une communauté diversifiée ; mais aujourd’hui, ses accélérateurs ne sont plus compétitifs et sa fermeture est prévue en 2003.

• 1989 : consciente de cet enjeu, une large communauté se mobilise autour du LURE pour élaborer le projet Soleil.

• 2002 : SOLEIL capitalise les acquis du LURE, tant du point de vue technique que du point de vue des ressources humaines.5 lignes de lumière vont être transférées du LURE à Soleil.


ACO DCI Super ACO SOLEIL

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