J. L. Revol au nom de la Division Accélérateur et Source, ESRF
15 Octobre 2013
Actuelle DBA lattice
Future7 bend lattice
Status de l’ESRF
Roscoff 2013 - Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 2
Source de lumière de 3ème génération Localisation : Grenoble, FranceParticipants : 19 paysBudget annuel : 100 millions €Personnel : 600Premiers utilisateurs : 1994
Energie 6.04 GeV
Multibunch current 200 mA
Emittance Horizontale 4 nm
Emittance Verticale 4 pm
• Circonférence de l’anneau de stockage => 844 m
• Optique DBA
• 32 sections droites
• 42 Lignes de lumière(dont 12 aimants de courbure)
European Synchrotron Radiation Facility
10 Hz Booster
Synchrotron
200 MeV Electron
Linac
Disponibilité : 98.83 %Temps moyen entre 2 pannes : 77.7 heures
Moyenne au cours des 4 dernières années
• Plus de 6000 utilisateurs/an• 1800 publications chaque année
Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 3
2008 2009 2010 2011 2012 201390%
91%
92%
93%
94%
95%
96%
97%
98%
99%
100%
98.30%99.04%
98.78% 98.91% 98.58% 98.69%
1.70%0.96% 1.22% 1.09% 1.42%
1.31%
Disponibilité de l’Accélarateur de 2008 à 2013
Années
% d
e d
isp
on
ibil
ité
Record deL’ ESRF
En progrès
Performances opérationnelles depuis 2008
> à 98.6 % !
Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 4
2008
2009
2010
2011
2012
2013
0
20
40
60
80
100
64.5
75.8
67.5
107.8
60.0
69.4
1.1 0.7 0.8 1.2 0.9 0.9
Temps moyen entre 2 pannes au cours des annéesH
eure
s
Temps moyen
par panne
Record de l’ ESRF
En cours
Performances opérationnelles depuis 2008
Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 5
Performances opérationnelles depuis 2010
MODES DE REMPLISSAGE A L’ESRF EN 2013
Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 6
@ Phase I (de 2009 à 2015)
8 nouvelles lignes de lumièreExtension du hall expérimentalRénovation de plusieurs lignes de lumière existantesEvolution de l’instrumentation scientifique de
rayonnement synchrotron
Evolution de la source de rayonnement X pour améliorer la disponibilité, la capacité et la brillance
“The Upgrade Programme”
@ Phase II (de 2015 à 2019)
4 nouvelles lignes de lumièreEvolution de l’instrumentation scientifiques et des
installations de support
Augmenter la brillance et la cohérence de la source mise en oeuvre d’une optique faible émittance
émittance horizontale réduite de 4nm à 150pm
Projet approuvé par le Conseil de l’ESRF en Novembre 2012L’étude technique de la conception est due pour Juin 2014
Travaux de constructions
intensifs sur le site
“Accelerator Upgrade Phase I”
• Mise à niveau des électroniques des BPM• Amélioration de la stabilité du faisceau• Réduction du couplage
• Allongement à 6 mètres des sections droites• Ondulateurs Cryogenic sous vide• Allongement à 7 mètres des sections droites
• Nouveaux émetteurs RF SSA• Nouvelles cavités RF
• Opération en mode Top-up
• Etudes sur la réduction de l’émittance horizontale
7Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013
Fait Fait (4pm)
Fait (2 CPMUs) Fait (1)
Fait pour le booster 3 prototypes en test
Fait (4 )
Projet en cours
TDS en cours
7 mètres ID23
6 mètres canted ID16
7 metre ID23
Fait
CPMU
Single cell HOM damped cavity
SSA
Cellule standard
Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 8
Nouveau système de correction d’orbite
• Système unique de DC à 200 Hz• 224 Libera BPMs• 96 correcteurs intégrés dans les sextupoles
(jusqu’à 200 Hz)• Nouvelles alimentations• Opération 10 kHz
• Amélioration de la correction des perturbations d’orbite induites par les changements de gap des onduleurs
8 mn
ID11
ID17
ID27
Feedback OFF
2.5 mm
0.9 mm
@ stabilité sub mm régulièrement obtenu en V@ stabilité mm régulièrement obtenu en H
rmsCell1
Cell32
224
liber
a B
PM
Horizontal OFF
Horizontal ON
Vertical OFFVertical ON
Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 9
Allongement à 6 mètres des sections droites
• 6 m section no canting• ID18, ID14, ID1, ID32 ID31, ID15• ID 24 & ID20 full 6m operational with 4
carriages
• 6 m Large Angle canting
• ID30 (±2.2 mrad )• ID16 (±2.7 mrad )
Pas de changement d’optiqueNouvelles chambres à videModification du câblage et de la tuyauterieModification des têtes de lignes pour le canting
c c cc
cc
6173 mm ID chamber
ID16
Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 10
Ondulateur cryogénique à aimant permanent
Paramètres• Période: 18 mm• Gap: 6 mm• Champ maximum : 1 T • Erreur de phase : 3°RMS• Fonctionnement à 145 K
Prochaine étape• Période plus courte (14 mm)• Aimants : PrFeB à 77 K
Spectre mesuré sur ID11 (G. Vaughan, J. Wright) Et calculé à partir de mesures magnétiques (J. Chavanne)
Installés en
Janvier 2012
Support de Joël Chavanne , Gaël LeBec
Gain pour le flux du photon~ 2 @ 60 keV,
~3 au-dessus de 90 keV versus un IVU 22
conventionnel
SY: Booster Synchrotron
4 Waveguide switches to 4 water loads
2 five-cell cavities x 2 couplers
Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 11
Emetteurs RF
Remplace l’émetteur 352.2 MHz 1.3 MW à base de klystron du boosterSYRF prêt pour le mode TopUp, (puissance électrique réduite de 1200 à 400 kW).
But : Prévenir l’obsolescence des klystronsPréparer les futures mises à jour
Booster RF : 4 amplificateurs solid state de 150 kW en fonction depuis Mars 2012 Mise en service sans difficultés en un temps limité, grande fiabilité pour l’opération. 75 kW tower of
128 RF modules
150 kW - 352.2 MHz amplificateurs à semi-conducteurs pour le booster
Efficacité: > 55 % à la puissance nominale
3 SSA pour le SR:
Alimente 3 nouvelles cavités HOM damped de L’anneau de stockage:
1st SSA alimente 1 cavité en Août 2013
Prochains SSA: Décembre 2013, Mars 2014
Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 12
1st HOM damped cavity (Research Instruments)
2ème cavité livrée par SDMS
3 prototypes livrés :2 testés individuellement avec le faisceau et maintenant installés en cellule 23 Une en test de puissance RF
3ème cavité livrée par CINEL
1ère cavité livrée par Research Instrument
Les cavités 1&2 sont installées en C23
Cavité mono cellule cuivre avec HOM attenués
14 cavités commandées
Nominal 0.5 MV, Max 0.75 MVValidés dans toutes les conditions du faisceau
13
Test of mini beta optics during first half of 2013
Two Mono-cell cavities installed in August 2013
Opérationnelle en Janvier 2013
Redistribution des cavités RF en vue d’ installer des onduleurs à la place des RF actuelles.
Create 2 lower vertical beta points to reduce the in-vacuum undulator gap from 6 to 4 mm
Allongement à 7 mètres d’une section droite
Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013
Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 14
Projet de fonctionnement en mode Top Up
Pour : Réduit la variation de charge thermique sur les optqies de la ligne de lumière
Améliore la stabilitéContre: Augmentation du nombre d’injections
Perturbe la stabilité
@ Etude comparative de l’opération en “Top-up” à :ESRF/ APS/ SPRing8/ PETRA/ SOLEIL/ DIAMOND/ BESSY/ ELETTRA/ ALBA /SLSLe «Top-up » est multi-paramètres => nombreuses différences entre les instituts !
@ L’ESRF à développé une grande d’expertise dans la conception des optiques et pour l’agencement des lignes de lumière afin de gérer la variation de la charge thermique.
@ La plupart des sources de RS fonctionnent en mode Top Up sauf l’ESRF
Testé en Septembre 2013 avec les utilisateurs afin de
déterminer le débit d’injection optimal.
Nominal decay with vertical beam blowup to increase lifetime
Le TopUp sera très bénéfique pour les modes de fonctionnement en structure temporelle qui sont pénalisés par la faible durée de vie.
Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 15
“Accelerator Upgrade Phase II”
• Réduire l’émittance d’équilibre horizontale de 4nm à moins de 200pm• Maintenir les sections droites existantes et surtout les lignes de lumière• Maintenir les sources sur les aimants de courbure• Préserver le fonctionnement en structure temporelle et un courant nominal de 200mA• Réutiliser l’injecteur actuel• Réutiliser le plus possible le matériel existant• Minimiser les pertes d’énergie par rayonnement synchrotron• Minimiser les coûts de fonctionnement, principalement la puissance électrique• Limiter le temps d’arrêt de la machine pour l’installation et la mise en service
(durée totale d’environ 1 an)
Réduire l’émittance horizontale est une demande récurrente des utilisateurs de l’ESRF… avec la contrainte non négligeable de réutiliser le même tunnel et les mêmes infrastructures. Grâce aux efforts internationaux pour développer des anneaux de stockage ultimes, l’ESRF ré-aborde la question avec les conditions suivantes :
Present DBA lattice
Future7 bend lattice
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Dipole Dipole
X
Trajectoire idéale du faisceau d’électrons
Pourquoi l’émittance horizontale est non nulle?
Introduction de la faible émittance de l’optique
Support d’A Franchi
Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 17
Dipole Dipole
X
Support d’A Franchi
Trajectoire d’un électron qui a émis du rayonnement synchrotron dans le premier dipole
(énergie plus basse que l’énergie nominale plus forte déviation)
Introduction de la faible émittance de l’optique
Pourquoi l’émittance horizontale est non nulle?
Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 18
Dipole DipoleQuad Quad Quad
X
Support d’A Franchi
Corrigée par les aimants quadrupoles
Introduction de la faible émittance de l’optique
Pourquoi l’émittance horizontale est non nulle?
Trajectoire d’un électron qui a émis du rayonnement synchrotron dans le premier dipole
(énergie plus basse que l’énergie nominale)
Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 19
Dipole DipoleQuad Quad Quad
X
Support d’A Franchi
Trajectoire de deux électrons qui ont émis du rayonnement synchrotron (et qui ont une énergie différente)
Introduction de la faible émittance de l’optique
Pourquoi l’émittance horizontale est non nulle?
Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 20
Dipole DipoleQuad Quad Quad
Sextu Sextu Sextu
X
Support d’A Franchi
Corrigée par les aimants sextupoles
Introduction de la faible émittance de l’optique
Pourquoi l’émittance horizontale est non nulle?
Trajectoire de deux électrons qui ont émis du rayonnement synchrotron (et qui ont une énergie différente)
Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 21
Dipole 1 Dipole 2
X
Support d’A Franchi
3 électrons entrants à énergie et trajectoire nominale
Trajectoire après l’émission des
photons
À la fin de la cellule : Vitesse horizontale non nulle
et dispersion en energie Émittance non nulle
Introduction de la faible émittance de l’optique
Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 22
Dipole 1 Dipole 2 Dipole 3
X
Support d’A Franchi
Plus de dipoles plus faibles, focalisation plus forte, sextupoles plus puissants
émittance horizonale plus basse
Comment réduire l’émittance horizontale ?
Introduction de la faible émittance de l’optique
Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 23
Dipole 1 Dipole 2 Dipole 3 Dipole 4
X
Support d’A Franchi
Comment réduire l’émittance horizontale ?
Introduction de la faible émittance de l’optique
Dipoles plus faibles, focalisation plus forte, sextupoles plus puissantsémittance horizonale plus basse
Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 24
L’optique de l’ESRF
Emittance basse :Optimization de e\bx and x dans les dipoles (ou est genere le rayonnement synchrotron)bx: envelope functionx: dispersion
• Augmenter le nombre de cellules circonférence plus large
• Mettre plus de dipoles par cellulemachine très compacte
Réduction de l’émittance grand nombre d’aimants de déviation
3
2
)(N
ELatticeFx
Optimisation de la lattice
Energie
Nombre de dipoles identiques
Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013
• ESRF 2BA
• PETRA III 2BA
• NSLS II 2BA
• MAX IV7BA
• Sirius 5BA
• Spring-8 6BA
• ESRF 7BA
Performance des anneaux de stockage(sources actuelles et futures)
Émittance horizontale
4000 pm – 6 GeV, Opérationnel
1000 pm – 6 GeV, Opérationnel
~350 pm – 3 GeV, construction
~300 pm – 3 GeV, construction
~250 pm – 3 GeV, au programme
~70 pm – 6 GeV, au programme
~150 pm – 6 GeV, au programme
Augmentation presque linéaire de la luminosité jusqu’à 50-100 pmPour des émittances plus faibles, le gain devient moins linéaire à cause : - de la limite de diffraction - du ‘’’mismatch’ du faisceau d’électrons et du faisceau de rayonnement X
Sources de lumière de faible émittance
25
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Tendance des anneaux faible émittance
Ouverture plus petite
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Bleu: Dipoles Rouge: Quadrupoles Vert: sextupoles
Optique faible émittance pour l’ESRF
Present ESRF latticeDouble Bend AchromatEx = 4 nm.rad
Proposed hybrid 7 bend lattice Ex = 150 pm.rad
@ 7 aimants de courbure D1to7
réduisent l’émittance horizontale
@ L’espace entre D1-D2 and D6-D7 β-fonctions et dispersion plus grandes correction de la chormaticité avec des sextupoles plus efficaces
@ Dipoles D1, D2, D6, D7 champ longitudinalement variable pour réduire encore l’émittance
@ Partie centrale alternant:dipole-quadrupoles combinés D3-4-5
quadrupoles á fort champs de focalisation
@ D4 (0.34T) and D5 (0.85T) Point de source pour le faisceau BM
(modification du point source)D1 D2 D6 D7D3 D4 D5
20
20
60
Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 28
Proposed hybrid 7 bend lattice Ex = 150 pm.rad
@ 2 quadrupoles de chaque côté de la section droite Fourni au centre :
bx = 4.3 mbz= 2.58 m
@ Cellule d’injection spéciale avec un plus grand bx
• Avance de phase totale identique , même configuration sextupole réduire la perte de symétrie de l'optique• 2 kickers avec une avance de phase de π • Pas de sextupole à l’intérieur du ‘’bump’’ d’injection aucune perturbation du faisceau stocké @ Ouverture dynamique proche de la présente optique Permet d’utiliser le même injecteur
Injection section
Optique faible émittance pour l’ESRF
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Brillance obtenue avec une faible émittance H
E = 6.04 GeVI = 200 mA
Hor. Emittance [nm] 4 0.15
Vert. Emittance [pm] 3 2
Energy spread [%] 0.1 0.09
bx[m]/bz [m] 37/3 3.4/2.8
x 30
Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 30
Hor. Emittance [nm] 4 0.15
Vert. Emittance [pm] 3 2
Energy spread [%] 0.1 0.09
bx[m]/bz [m] 37/3 6/2
E = 6.04 GeVI = 200 mA
x 30
x 4
Cohérence obtenue avec une faible émittance H
Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 31
Défis technique: le système d’aimants
Quadrupoles à gradient élevé 100 Tm-1
• Spec:100 T/m x 335 mm• Bore radius: 11 mm • Longueur mécanique : 360 mm• 1-2 kW Quadrupoles
Environ 60Tm-1
Dipole et quadrupoles fonction combinées0.85 T / 45 Tm-1 & 0.34 T / 50 Tm-1
Sextupoles200mm1500 Tm-2
Dipole á aimant permanent (Sm2Co17) gradient longitudinal 0.16 0.6 T, gap magnétique de 22 mm2 mètres de long, 5 modules
Avec une petite bobine de reglage de 1%
D1
D2
D6
D7
D3D4
D5
Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 32
Status de la conception des aimants• Dipole, quadrupole, sextupole et octupole : sont bien avancés• Dipole-quadrupole combinés : en progrès• Réalisation de prototypes en cours
Module dipole PM Quadrupole à gradient élevé Octupole Sextupole
Défis technique: le système d’aimants
Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 33
@ Efficacité énergétique de la source : 30% de réduction de la consommation en puissance du SR Augmentation de l’’efficacité de production du champ magnétique systèmes RF adaptés à la réduction des pertes par tour de 5.4 à environ 3.8 MeV/tour, incluant 0.5 MeV ID radiation
La nouvelle optique est plus sensible aux instabilités multibunch longitudinales (facteur deux). Utilisation de 14 HOM-damped single-cell cavities développées durant la phase 1.
@ Vide: Faible conductance due á la petite ouverture des chambresChambres principales en acier inoxydable avec du NEG coating et du pompage localisé Absorbeurs distribué pour collecter le rayonnement produit par les dipoles
@ La conception mécanique est très complique a cause de la compaticitéseulement 3.4 mètre de tube de glissement par cellule au lieu des 8m actuel
Défis technique: la compacité
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Mise en oeuvre
Present DBA lattice
Future7 bend lattice
Utilisation ensuite du hall pour de futures lignes de lumières et des installations de support.
@ Extension du hall expérimental pour fournir 2500m² de capacité de stockage et de préparation
@ Démontage et reconstruction de l’anneau de stockage entier pendant environ 9 mois dans 3 zones de travail parallèles + 3 mois de test et de mise en service.
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Road map
Budget : 100 M€ Construction et mise en service de la nouvelle optique
10 M€ Extension du hall expérimental 20 M€ Construction de 4 nouvelles lignes de lumière20 M€ Instrumentation et installations de soutien
Programme :◊ Nov 2012 Rapport préliminaire
Nov 2012- Nov 2014 Etude technique détaillée◊ Nov 2014 Décision du Conseil
Jan 2015 – Août 2018 Conception détaillée et approvisionnement ◊ Fin 2016 Préparation et disponibilité du bâtiment de stockage
Août 2018– Août 2019 Arrêt de la machine pour installation et mise en service ◊ Automne 2019 Retour opérationnel
TDS en cours
Fait
9 groupes de travail définis pour leTDS :WP1: Dynamique de faisceau
WP2: AimantsWP3: Transport des éléctrons et photonsWP4: AlimentationsWP5: RadiofréquenceWP6: Mise en œuvreWP7: Diagnostic et control du faisceauWP8: Source de photon
WP9: Mise à niveau de l’injecteur
Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 36
Present DBA lattice
Future7 bend lattice
Conclusion
Grâce à l’expertise acquise grâce à la phase 1, et aux efforts internationaux pour développer des anneaux de stockage proche de la limite de diffraction,
L’ESRF Upgrade Phase II sera une excellente opportunité pour :
• Augmenter considérablement la luminosité de notre source de lumière avant 2020
Mais aussi : • Améliorer l’expertise scientifique et techniques des sources de lumière sur
anneaux de stockage• Développer de nouvelles technologies• Fournir un important “savoir faire” pour obtenir de meilleures performances
pour les futures sources de lumière
Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL,15 Octobre, 2013 37
Merci pour votre attention
Present DBA lattice
Future7 bend lattice
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