Foto-enjektör - Indico

Transkript

HPFBU2012
Bir elektron kaynağı olarak
Foto-enjektör
Öznur METE
CERN, Accelerators Beam Transfer Group
[email protected]
www.cern.ch/omete
1
HPFBU2012
İçerik
Bu ders kapsamında:
‣ Bir
örnek üzerinden düşünelim: CLIC Projesi ve elektron kaynakları
‣ Termiyonik
(ısıl) elektron kaynağı nedir?
‣ Foto-injektör
(ışıksal elektron kaynağı) nedir ve ısıl elektron kaynağına göre
üstünlükleri nelerdir?
‣ CERN’deki
CLIC projesi için PHIN ışıksal elektron kaynağının araştırma ve geliştirme
çalışmaları.
PHIN foto-enjektörüne giriş
Demet özelliklerinin ölçülmesi, ölçüm aletleri, yöntemleri, PHIN’in işletmeye alma
sürecinden başlıklar
HPFBU2012 - Bir e- kaynağı olarak foto-enjektör
2
Öznur Mete
HPFBU2012
İçerik
‣ Bir
‣ Termiyonik
‣ Foto-injektör
‣ CERN’deki
çalışmaları.
3
Öznur Mete
CLIC (Compact Linear Collider), Tıkız Doğrusal Çarpıştırıcı HPFBU2012
4
Öznur Mete
CLIC (Compact Linear Collider), Tıkız Doğrusal Çarpıştırıcı HPFBU2012
CLIC projesinin gerçekleşmesi için bir takım tekniklerin başarılabileceği gösterilmelidir.
‣ Yüksek şiddette bir sürücü demetin verimli bir şekilde üretilmesi.
‣ Ana demetin hızlandırılmasında gerektirdiği kadar gücün sürücü demetten PETS* kullanılacak
çekilebilmesi.
‣ Demetin nanometre mertebesine kadar odaklanması.
‣ Farklı bileşenlerin hizalanma kesinliği.
.
u n uz
r
o
s
eye
d
e
d
gle
*Go o
GERÇEK Ana demetin hızlandırılması sırasındaki nicelikleri sürücü demetin niceliklerine
dayanmaktadır.
GÖREV Sürücü demet kaynağının doğru seçilmesi ve en uygun şekilde tasarımının en uygun
şekilde yapılması.
5
Öznur Mete
HPFBU2012
İçerik
‣ Bir
‣ Termiyonik
‣ Foto-injektör
‣ CERN’deki
çalışmaları.
6
Öznur Mete
HPFBU2012
Isıl elektron kaynakları
Bir metalik katodun ısıtılması ile katod yüzeyinden elektron yayınlama olayına “ısıl yayınım” denir.
Aşağıdaki eşitlikle verilen Richardson yasası elektronların ısıl yayınımın yayıcı yüzeyinin ısısının bir
fonksiyonu olarak açıklar.
φ
jıy = c3 T exp(−
)
kb T
2
Burada jıy yayınlanmış elektronların akım yoğunluğu, c3 bir sabit, T yayıcı yüzeyin sıcaklığı, φ
yayıcı metalin iş fonkiyonu ve kb Boltzmann sabitidir.
7
Öznur Mete
HPFBU2012
Isıl elektron kaynaklarına bir örnek: CTF3 Projesinin Isıl Kaynağı
‣ Bir termiyonik tabancadan 1.6 µs uzunluğunda
sürekli bir sürücü demet üretilir,
‣ daha sonra, demetin zamansal yapısı çeşitli
aşamalardan sonra oluşturulur;
‣ üç 1.5 GHz (sub-harmonic) alt-uyak
bohçalayıcısı,
‣ S-bandında ön-bohçalayıcı,
‣ ilerleyen dalga bohçaşayıcısı.
‣ Bu aşamalardan sonra demet iki hızlnadırma
kovuğundan geçerek istenilen özelliklerde
üretilmiş ve hızlandırıcıya enjekte edilmiş olur.
Sürücü demet: CLIC projesinde
hızlandırma kovukları için güç
sağlamak üzere kullanılacak
yardımcı elektron demeti.
8
Öznur Mete
HPFBU2012
Kaynak çıkışında bizden beklenen demet özellikleri nelerdir?
Parametre
Değeri
1.6 µs long drive beam
‣ The
Enerjicontinuous
[MeV]
20 pulse is
generated by a thermionic gun,
Akım [A]
3.5
‣ then, time structure is produced by
Atma Treni Uzunluğu [μs]
1.6
‣ three 1.5 GHz sub-harmonic bunchers
Bohça aSayısı
/ Trenpre-buncher
2310
‣ S-band
wave
Bohçalar
Arası Uzaklık
[ns] buncher
0.67
‣ a traveling
(FWHM)
[ps]
8
beam Uzunluğu
proceeds
to two
accelerating sections.
‣ Bohça
9
Yük / Bohça [nC]
2.33
Enerji Dağılımı (%)
<1
Normalize Yayınım [mm mrad]
<25
Öznur Mete
HPFBU2012
Sorun, parazitik yük (Uydu Bohçalar)
(Streak) Çizgi kamerası ile yapılan
ölçümler ile parazitik bohçalar gözlenebilir.
‣ Alt-uyak bohçalayıcısından dolayı %7-8
‣
‣
‣
parazitik yük (uydu bohça) oluşumu
gerçekleşir.
Uydu bohçaların içindeki yük
hızlandırıcının geri kalanında kullanılamaz
hale gelmektedir.
Uydu bohça ana demet hızlanmasını
olumsuz etkiler.
Tıkızlık (compactness), zamansal yapıdaki
esneklik ve kararlılık açılarından ısıl
kaynaklar yeterli değildir.
Çizgi kamerasının çalışma prensibi tanı yöntemleri dersinde
10
Öznur Mete
HPFBU2012
İçerik
‣ Bir
‣ Termiyonik
‣ Foto-injektör
‣ CERN’deki
çalışmaları.
11
Öznur Mete
HPFBU2012
Işıksal elektron kaynakları
Foto-injektör (ışıksal elektron kaynağı) nedir?
‣
Foto-enjektör lazer atmalarını kullanarak metalik ya da
yarıiletken bir katot yüzeyinden fotoyayınım
(photoemission) sürecinden yararlanarak elektron çıkartan
bir elektron kaynağıdır.
‣
Elektron demeti lazerin zamansal yapısını almaktadır.
Böylece fotoenjektör ek bir bohçalama sistemine gerek
duymayan tıkız bir sistemdir.
‣
Katotdan sonra yerleştirilen bir RF kovuk ile elektronların
çabucak hızlandırılmaları sağlanır.
‣
Düşük enerjide uzay yükü etkisi altındaki demet yayınımı
karşılanması RF kovuk çevresine yerleştirilecek iki
solenoid magnet ile yapılır.
12
Öznur Mete
HPFBU2012
Yakın zamandaki fotoenjektörler için tasarım parametreleri.
Ö. Mete, Doktora Tezi, S29
13
Öznur Mete
HPFBU2012
Işıl kaynakların tarihi gelişimlerinden başlıklar (S. J. Russel’ın tablosuna eklemelerle).
1985 -- İlk ışıksal kaynak deneyi.
Kaynaklar için:
http://omete.web.cern.ch/omete/OM/research_files/references.pdf
14
Öznur Mete
HPFBU2012
İçerik
‣ Bir
‣ Termiyonik
‣ Foto-injektör
‣ CERN’deki
CLIC projesi için PHIN ışıksal elektron kaynağının araştırma ve
geliştirme çalışmaları.
15
Öznur Mete
Işıksal elektron kaynaklarına bir örnek: PHIN
HPFBU2012
‣
CTF3 termiyonik kaynağının çıkışındaki demet özelliklerini
sağlamak üzere tasarlanmış bir fotoenjektördür.
‣
Proje CARE (Coordinated Accelerator Research in Europe)
programı çerçevesinde gerçekleştirilmektedir.
‣
Çeşitli kurum ve kuruluşların işbirliği ile yürümektedir...
“Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire (LAL)”
RF tabanca
“Rutherford Appleton Laboratory (RAL)”
Lazer
“European Organization for Nuclear Research (CERN)”
Fotokatot üretimi,
Genel düzenleme,
İşlemeye alma sürecindeki test çalışmaları.
16
Öznur Mete
HPFBU2012
PHIN’in sağlaması gereken parametreleri ve değerlerini hatırlayalım.
Parametre
Değeri
RF
RF Gradyeni (MV/m)
85
RF Sıklığı (GHz)
2.99855
Elektron Demeti
Bohça başına yük (nC)
2.33
Tren başına yük (nC)
4446
Tren uzunluğu (ns)
1273
Bohça uzunluğu (ps)
Bohça sayısı / Tren
8
1908
Akım (A)
3.5
Normalize yayınım (mm mrad)
<25
Enerji yayılımı (%)
<1
Enerji (MeV)
5.5
Lazer ve Katot
17
Yük Karalılığı (%)
Katot
<0.25 rms
Kuantum Verimliliği (%)
UV Lazer Enerjisi / Atma (nJ)
3
370
Mikroatma Tekrarlama Hızı (GHz)
1.5
Makroatma Tekrarlama Hızı (Hz)
1-5
Cs2Te
Öznur Mete
‣
HPFBU2012
Fotoenjektör kavramının ortaya çıkışı ve ilk uygulamaları
1980‘lere kadar geriye gitmektedir.
‣ PHIN enjektörünü özgün yapan özellikleri, tasarım
değerleri (specifications) aşağıda sıralanmıştır.
‣
Bohça başına yük 2.33 nC
‣
1.2 μs uzunluğunda 1908 bohçadan oluşan bohça
treni.
‣
Zorlayıcı kararlılık gereksinimi. Örneğin: Tren
boyunca genlik (yük) kararlılığı %0.25 olması gerektiği
belirlenmiştir.
18
Öznur Mete
HPFBU2012
Bir ışıl kaynak tasarlarken düşünülmesi gerekenlere örnekler nelerdir? Nereden başlamalıyız?
‣
Belirtilen, gereken yük miktarının üretilmesi ve
iletilmesi gerekecektir.
‣
‣
‣
Lazer beneğinin ölçüsü (yarıçapı),
Elde edilebilen en yüksek alan gradyeni,
Parçacıkların RF alanına göre yayınım evreleri.
Eacc [M V /m]σx2
Qmax [nC] =
18
!
E0,max = 8.47 + 1.57 f [M Hz]
Örneğini benzetim
dersinde göreceğiz.
‣
En düşük demet yayınımı veya en düşük enerjiyi
sağlayan çalışma noktaları arasında ödün verilmesi
gerekecektir.
‣
‣
Yine de, demet yayınımı karşılaması için uygun odaklama
sağlanabilir.
Bunlara benzer bir dizi nokta göz önünde
bulundurularak elektron kaynağı için çeşitli koşullar
altında farklı çalışma noktaları belirlenebilir.
Uygunlaştırma çalışmaları için C. Travier tarafından sunulan kullanışlı model örnek olarak alınabilir.
[Kaynak] Christian Travier. “An introduction to photo-injector design”. NIMA, 340(1):26 – 39, 1994
19
Öznur Mete
HPFBU2012
Bölmelendirilmiş Durdurucu
Gelen ve Yansıyan
Güç
Çift-Kutuplu Magnet
Çok-Yarıklı Maske
Odaklama Bobini
Alan Önleme Bobini
Katod Yükleme
Odası
Katod
MTV2
Düzeltme Magnetleri
RF
Kovuk
Lazer Tanı Aygıtları
Hızlı Akım Dönüştürücü
(FCT, Fast Current Transformer)
Demet Yayınımı
Ölçer
Duvar Akımı Görüntüleyici
(WCM, Wall Current Monitor)
20
MTV1
Enerji Ölçer
(Spectrometer)
Faraday
Kabı
Demetin Konumu Görüntüleyici
(BPR, Beam Radiation Position Monitor)
Öznur Mete
HPFBU2012
Gradient (MV/m)
RF Gun
z (cm)
‣
‣
‣
‣
‣
Normal iletken 2+1/2 hücreli RF kovuktur.
‣
Yüksek yük değeri, düşük elektriksel kırılma, ve karanlık akım için uygunlaştırılmıştır
(yarım hücre duverı açısı, eliptik iris)
‣
İyi dinamik vakum sağlayacak şekilde uygunlaştırılmıştir (Non-Evaporable Getter,
NEG, ön-odacığı gaz alıcı kaplama yapılmıştır.).
‣
S-band için (3GHz) π-modda ayarlanmıştır.
Hızlandırma 85 MV/m’lik gradyen altında gerçekleşir.
RF kovuk benzetimleri SUPERFISH programı kullanılarak yapılmıştır.
SUPERFISH benzetimleri sonucunda üretilen alan haritası PARMELA demet dinamiği
benzetimlerinde girdi olarak kullanılmıştır.
Uygun demet odaklanmasını sağlamak için çevresine iki solenid yerleştirilmiştir.
21
Öznur Mete
HPFBU2012
‣ Nd:YLF (Neodymium-doped yttrium
Laser
‣
‣
‣
‣
22
lithium fluoride) kristali salınıcı
olarak kullanılarak 1.5 GHz iç yapılı
sürekli atma trenleri oluştrulur.
Çeşitli yükseltme basamaklarından
sonra atma başına enerji
6.7 nJ’den 370 nJ’e kadar çıkarılır
(UV dönüşümünden sonra).
Atma treni uzunluğu, Pockels
hücreleri kullanılarak 1.2 μs olarak
ayarlanır.
UV dönüşümü gerçekleştirilir.
Üretilen bu lazerle bir Cs2Te katod
yüzeyi aydınlatılır.
Öznur Mete
HPFBU2012
Spectrometre
Magnetic Field (Gauss)
2200
The Path of the Beam
25
2000
1800
20
1600
x (cm)
1400
15
1200
1000
10
800
600
5
400
200
0
0
5
10
15
20
25
0
30
Magnetic Field (Gauss)
z (cm)
2500
2000
1500
1000
500
35
30
0
30
25
25
20
20
15
15
10
10
5
5
x (cm)
0
0
z (cm)
E=
ec
αtot
!
Bz ds
path
‣
Enerji ölçümleri için magnetik bir spektrometre
kullanılmıştır.
‣
Çalışma prensibi: magnetik alanı bilinen bir dipolden
geçtikten sonra demeti oluşturan parçacıkların
momentum dağılımlarının ölçülmesi.
‣
Demetin momentum dağılımı bir OTR profil görüntüleyici
ya da bölmelendirilmiş bir demet durdurucu ile
ölçülebilir.
23
Öznur Mete
OTR Profil Görüntüleme
‣
‣
‣
‣
‣
HPFBU2012
Yüklü parçacıklar, farklı dielektrik özelliklere sahip iki
ortamı ayıran sınırdan geçerken Optik Geçiş Yayınımı
[Optical Transition Radiation] (OTR) yaparlar.
OTR demet profilinin ölçümü için bir tanı aleti olarak
kullanılır.
PHIN üzerinde iki demet yayınımı ölçer (MTV1) ve
spektrometre (MTV2) için iki OTR görüntüleyici
bulunmaktadır.
OTR yükseltilmiş-CCD (ICCD) [Intensified Charge
Coupled Device] kameralar yardımıyla ölçülmektedir.
Kesitlendirme (gating) özelliğinden dolayı ICCD
kameralar zaman-çözünürlüklü ölçümlerde
kullanılabilirler.
Zaman-Çözünürlüklü OTR Profil Görüntüleme
24
Öznur Mete
HPFBU2012
Yükseltilmiş CCD kameranın çalışma prensibi
ÖDEV??
‣ CCD kamera nasıl çalışır?
‣ Yükseltilmiş CCD kameradaki
yükseltme basamağının nasıl çalışır?
25
Öznur Mete
HPFBU2012
PHIN, Araştırma Programının Hedefleri
‣ PHIN ışıl kaynağı için demet dinamiğini anlamaya yönelik ayrıntılı
benzetimlerin yapılması,
‣ tasarım özelliklerini sağlayacak uygun bir çalışma noktasının
bulunması,
‣ deneysel tanımlamasının kısa ve uzun atma trenleri için tam
olarak yapılması,
‣ uzay yükünce baskın demetin yayınımının ölçülmesi için tek
atımlı yayınım ölçme sisteminin geliştirilmesi,
‣ demet özelliklerinin kararlılığının uzun tren boyunca ölçülmesi
(zaman-çözünürlüklü ölçümler),
‣ ölçümlerle benzetimlerin karşılaştırılması,
‣ Devamı olarak, elde edilen bulguların CLIC-DB kaynağı için
birincil bir RF ışıl kaynak tasarımının oluşturulmasında
kullanılmasıdır.
26
Öznur Mete
HPFBU2012
İçerik
‣ Bir
‣ Termiyonik
‣ Foto-injektör
‣ CERN’deki
CLIC projesi için PHIN ışıksal elektron kaynağının araştırma ve
geliştirme çalışmaları.
27
Öznur Mete
HPFBU2012
PHIN’in İşletmeye Alma Sürecinden Başlıklar
Yük Üretimi -- Işıkla Elektron Yayımı
‣
‣
‣
RF kovuğun hemen sonrasındaki pozisyonundan dolayı, yük
ölçümlerinde çoğunlukla FCT tercih edildi.
Yine de, FC, demet hattının sonlarına doğru yük iletmini
gözlemlemek için en uygun ölçüm aleti olarak kullanıldı.
Temelde, yük üretimi atma başına lazer enerjisi artarken belli bir
değerden sonra doyuma ulaşır. Bu davranış yapılan ölçümler
sonunda da doğrulanmış ve bu doyuma ulaşma sınırı PHIN’de
kullanılan katodlar için belirlenmiştir.
İşletmeye alma süreci çalışmalarında PHIN için elde
edilebilecek en yüksek yük miktarı 4.4 nC olarak
belirlenmiştir.
28
5
Laser Pulse Train Length = 200 ns
4.5
4
3.5
Charge (nC)
‣
3
2.5
2
1.5
1
0.5
Charge Production (17.06.2010)
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Laser Energy/Pulse on the Cathode (nJ)
Öznur Mete
HPFBU2012
Yük Üretimi -- Işıkla Elektron Yayımı
ü
r
Teorik öngö
5
dilmiştir.
e
d
y
a
k
k
lı
lı
ile tutar
Laser Pulse Train Length = 200 ns
4.5
4
85[M V /m](1[mm])2
Eacc [M V /m]σx2
=
= 4.7nC
Qmax [nC] =
18
18
Charge (nC)
3.5
3
2.5
2
1.5
1
‣
İşletmeye alma süreci çalışmalarında PHIN için elde
edilebilecek en yüksek yük miktarı 4.4 nC olarak
belirlenmiştir.
29
0.5
Charge Production (17.06.2010)
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Laser Energy/Pulse on the Cathode (nJ)
Öznur Mete
HPFBU2012
Demet Yayınımı (Emittance) Ölçümü
Demet Yayınımı Ölçümü
Zaman Çözünürlüklü OTR Profil Ölçümü
‣
Demetin enine yayınımı çoklu-yarık yöntemi (ÇY)
ile ölçüldü.
‣
ÇY yöntemi düşük enerjili, uzay yükünce baskın
demetler için geliştirilmiş bir ölçüm yöntemidir.
‣
[Optical Transition Radiation] OTR demet
profilinin ölçülmesinde tanı aleti olarak kullanıldı.
‣ ICCD kameraların kesitlendirme (gating) özelliği
kullanılarak zaman çözünürlüklü yayınım ölçümleri de
yapıldı.
30
Öznur Mete
HPFBU2012
Demet Yayınımı (Emittance) Ölçümü
Demet Yayınımı Ölçümü
ÇY [MS] Yöntemine Göre
‣
‣
‣
ÇY maskesi demetin önüne yerleştrilir,
‣
Bu bilgileri kullanılarak birincil demetin yayınımı
yarık maskesinin bulunduğu konum için hesaplanır.
‣
Çoklu-yarık yöntemi CERN’de ilk defa PHIN
deneyleri sırasında kullanılmıştır.
‣
Bu araştırmada değişik ardalan biçimleri için
değişik belirleme ve dışarlama algoritmaları
geliştirilmiştir.
‣
PHINEMA: PHIN photo-injector Emittance
Measurement and Analysis software
demet demetsi dilimlere ayrılır,
demetsilerin profillerinden birinci ve ikinci
momentleri ile herbir demetsinin göreli şiddeti
belirlenir.
e …
d
n
i
s
der
i
r
e
l
tem
n
ö
y
nı
a
t
ı
r
tıla
n
ı
r
y
A
31
Öznur Mete
HPFBU2012
Demetsel Yüklemenin Dengelenmesi
Kavite içinde elektronlar tarafından görülen alan RF alanı ve demetin kavitede uyardığı alanların
bileşkesidir. Demetin uyardığı alanın RF alana göre 180 derece evre farkı vardır. Buna göre
hızlandırma alanı ile yıkıcı girişim yapacaktır. Bu durumda, demetin zamanlaması bu bileşkenin
düzgün bir hızlandırma alanı ile sonuçlanacağı şekilde seçilmelidir. PHIN demeti gibi yüksek
parlaklıkta demetler için demetsel yükleme önemli ölçüde olacaktır.
PHIN ışıksal kaynağında demetsel yüklemenin dengelenmesi demetin zamanlamasının RF
alanın zamanlamasına göre uygun şekilde ayarlanması ile çalışıldı.
Demet Yok
Demet Var
Kovuk içideki RF güç
Kovuk içideki RF güç
Yansıyan güç
Yansıyan güç
PHIN üzerinde yapılan ölçümlerin tamamı demetsel yüklemenin dengelenmiş olduğu şartlar
altında yapılmıştır.
32
Öznur Mete
HPFBU2012
Demetin OTR Resminin Görüntülenmesi
4
4
x 10
x 10
4
!x = 1.5 mm, µx = 18.4 mm
10 Background Level = 1200
Fit, "2 = 0.98
3.5
Intensity (a.u.)
3
220
beamlets
gof−env = 0.88321
1−sigma limit
200
180
8
160
2.5 6
Pixels
140
2
4
120
100
1.5
80
12
0.5
60
40
0
0 0
0
20
55
1010
1515
2020
2525
Position on the Screen (mm)
3030
3535
10
20
30
40
50
60
70
80
Pixels
33
Öznur Mete
HPFBU2012
Demet Beneğinin Ölçülmesi
Tek Atımlı Solenoid Taraması
Demet Beneği
(1σ) (mm)
BeamGenişliği
Size (mm)
7
‣
PARMELA simulation
!x Measurement
6
!y Measurement
‣
5
4
3
‣
2
‣
1
Beam Size Scan (No:03) (22.02.2010)
0
170
Demet beneği odaklamanın bir fonksiyonu olarak
ölçülebilir.
Basit ama kilit bir ölçümdür, çünkü;
‣ demetin davranışı ve ölçüm aletlerinin
davranışına ilk elden ışık tutar,
‣ sistemin gerçek hayat parametreleri ile benzetim
girdilerinin ayarlanmasını sağlar,
180
190
200
210
220
230
240
250
260
Focusing Magnet
Current
(A)(A)
Odaklama
Solenoidinin
Akımı
34
ör: lazer benek ölçüsü, odaklama magnetinin
akımı, RF alanının evresi...
Yandaki ölçümde hata çizgileri atımdan atıma
istatistiksel sapmayı göstermektedir. Bu da bize
atımdan atıma kararlılık konusunda bir fikir
vermektedir.
Öznur Mete
HPFBU2012
Atma Treni Boyunca Demet Beneğinin Ölçümü
4
!x @ 200ns
‣
‣
!x @ 400ns
5
!x @ 600ns
!x @ 800ns
‣
!x @ 1000ns
4
!x @ 1200ns
PARMELA Simulation
Beam size is measured as a function of the
focusing,
<! >
1.7(± 0.69) mm
3.5
y
Simulation
A MatLab software has been developedPARMELA
for interfacing
with
the instrumentation
for automatic data acquisition.
3
A benchmark measurement
İstatistiksel Sapma
2.5
‣ to diagnose the beam and the instrumentation,
‣
3
to
2 calibrate the input parameters for the simulations with
respect to the actual system settings.
such
‣ 1.5
2
‣
1
Gated Beam Size Scan (No: 05−10) (03.03.2010)
0
180
<!x> 1.8(± 0.48) mm
Demet Beam
BeneğiSize
Genişliği
(mm)(1σ) (mm)
Demet Beneği
Genişliği
(1σ)Size
(mm)(mm)
Horizontal
Beam
6
190
200
210
220
230
240
250
‣
as laser spot size, beam energy, focusing magnet
current, RF phase, gradient, charge per bunch...
1
The error bars indicate the shot-to-shot statistical deviations.
Beam size can be measured as a time-resolved manner
Gated Beam Size Scan @ 202 (No: 05−10) (03.03.2010)
along
0 the pulse train.
0
Focusing
Current
(A)(A)
Odaklama Magnet
Solenoidinin
Akımı
Sabit Kesit Süresi
0.5
200
400
600
800
1000
1200
GateAtma
Position
the Pulse
Train (ns)
TreniAlong
Boyunca
Kesit Konumu
(ns)
35
Öznur Mete
HPFBU2012
Demet Yayınımı Ölçümü için Veri Analizi Yöntemi
5−3
4
Intensity
(a.u.)
Intensity
Intensity
(a.u.)
(a.u)
xp (rad)
4.5
1.5
4
6
4
3.5
1.4
3.54
4
10
xx 10
x 10
Beamlets with BackgroundReconstructed
Subtraction Phase Space
Beamlets
Raw Datawith Gaussian Fit Curves
Defined
Background,
Background
gof= 0.86226
Level
3
3
1.32
2.5
2.5
3.5
‣
Çoklu-yarıktan sonra demet profiline bir örnek,
3
‣
Veri analizi yöntemi:
‣ profil üzerindeki ardalanı belirlemek için profilin
eteklerinden ilgilenilen bölgeler belirlenir,
2.5
‣
0
1.2
2
2
2
1.5
−2
1.5
1.1
1
1.5
1
−4
0.5
1
0.5
0
−6
−0.5
0.9
0
0
‣ bu model ölçülen toplam sinyalden çıkarılır,
‣ demetsilerin ilk ve ikinci momentleri ile göreli
1
‣
‣
0.5
−4
−3
5
−2
10
−1
0
15
1
20
x (mm)
x (mm)
2
3
25
4
30
ardalanı tanımlayan en uygun model bulunur,
35
36
şiddetleri belirlenir,
geometrik demet yayınımı hesaplanır,
evre uzayında demetin kapladığı alan yeniden
kurgulanır.
Öznur Mete
HPFBU2012
Zaman-Çözünürlüklü Demet Yayınımı Ölçümü
20
!x,n (Full Train) = 8.9 (± 4 ) mm mrad
18
!
x,n
(Time Resolved) = 9.45 (± 3.27 ) mm mrad
PARMELA Simulation
16
!x,n (mm mrad)
14
12
10
8
‣
Dalgalanma-türü bir değişim atma treni boyunca artan çözünürlükle
daha da görünür oluyor.
‣
‣
Peki bu değişim nereden geliyor olabilir?
‣
Ölçümler incelendiğinde RF gücü atma şekli ile demet yayınımının
tren boyunca değişiminin ilişkili olduğu saptandı.
6
4
2
Gated Emittance Scan @ Focusing = 206.7 A (No: 20−22) (09 October 2009)
0
0
200
400
600
800
1000
“Olağan Şüpheliler”: Lazer şiddetindeki ya da RF gücü atma
şeklindeli sapmalar?
1200
Gate Position Along the Pulse Train (ns)
16
<!x,n> = 7.07 (± 2.82 ) mm mrad
PARMELA Simulation, 7.5 mm mrad
14
13
6
2
Gated Emittance Scan (No: 01−06) (03 March 2010)
0
0
200
400
600
800
1000
1200
Gate Position Along the Pulse Train (ns)
25
!x,n = 12.21 (± 7.1) mm mrad
x
PARMELA Simulation
! (mm mrad)
!x,n (mm mrad)
20
8
4
20
!x (mm mrad)
PARMELA Simulation, 13.15 mm mrad
RF Power
10
10
12.5
15
RF Power in the Gun (MW)
!x,n = 12.21 (± 7.1) mm mrad
12
10
Gated Emittance Scan (No: 24−35) (15.10.2009)
5
0
0
200
0
200
400
600
800
1000
600
800
1000
12
1200
Gate Position Along the Train (ns)
Gated Emittance Scan (No: 24−35) (15.10.2009)
0
400
1200
Gate Position Along the Train (ns)
37
Öznur Mete
HPFBU2012
Genel bir yorum
ICFA’nın Geleceğin Işık Kaynakları (Future
Light Sources) konferansında varılan sonuca
göre:
http://www-conf.slac.stanford.edu/icfa2010/
11
Emittance vs. Charge (PARMELA)
Fit
!x,n (mm mrad)
10
!
!n [mm mrad] ≈ 1µm Q[nC]
9
8
PARMELA ile yapılmıs benzetim çalışmaları
da benzeri birşey söylüyor:
7
6
5
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
‣
Kaynağın çalışma noktasının en düşük demet
yayınımını sağlayacak şekilde uygunlaştırıldığı
koşullarda yukarıdaki eşitlik geçerlidir.
‣
Orantı sabiti ise lazer atma şeklinin bir fonksiyonu
olacaktır..
‣
Yakın zamanda, PITZ kaynağı için bu tarz lazer
şekillendirme çalışmaları sürdürülmektedir..
1.6
1/2
[Q (nC)]
38
Öznur Mete
HPFBU2012
Magnetik Spektrometre ile Enerji Ölçümü
OTR Görüntüleme
4
60
18
x 10
3500
E0, Beam Energy
"x = 7.74 (mm), µx = 2.9 (mm)
16
40
14
!E/E, Simulation
20
20
12
10
0
8
−20
6
−404
−10
1500
−20
−30
−60
0
−50
300
−40
310−20
320
0
330
20 340
40
350
1000
500
−60
360
60
−40
Beam
Size (mm)
RF Phase
(o)
2000
0
−40
<E> =
5.41 (MeV), Epeak = 5.43 (MeV), !E = 50 (keV)
Energy vs. Phase
(15.06.2010)
2500
10
2
−80
−2
−60
290
3000
30
Vertical Axis (mm)
Relative
Units
(%)
Intensity
(a.u.)
40
!E/E, Energy Spread
E0, Simulation
Fit
−20
0
20
40
0
Horizontal Axis (mm)
39
Öznur Mete
Magnetik Spektrometre ile Enerji Ölçümü
0
5
10
15
20
HPFBU2012
Bölmeli Demet Durdurucu
25
E 0 =5.97 MeV, !E/E = 0.73 %, Intensity [mA]
2000
1800
Time [ns]
1600
1400
1200
1000
800
600
400
-3
-2
-1
0
1
E/E0-1 [%]
2
3
RF seen by the beam and mean energy
Arbitrary Units
1
RF in PHIN Gun
Mean Energy
‣
Bölmeli demet durdurucu ölçümleri de demet enerjisi
ve RF atma şekli arasında, zaman çözünürlüklü
demet yayınımı ve yarıçapı ölçümlerine benzer bir
ilişki gösterdi.
‣
Tren boyunca ortalama enerji yayılımı %0.7 (0.022)
olarak ölçüldü*.
Bu değer ise PHIN tasarım değerini sağlamaktadır.
0.5
0
‣
-0.5
-1
-500
0
500
1000
Time [ns]
1500
*Ölçüm
40
Daniel Egger (CERN-EPFL) tarafından yapıldı.
Öznur Mete
HPFBU2012
Lazer ve Elektron Demeti Arasındaki Bağlılık
1.2
1.2
1
Relative Intensity (a.u.)
1
Relative Intensity (a.u.)
Laser Beam
Electron Beam
Laser Beam
0.8
0.6
0.4
0.2
0
−0.2
0.8
0.6
0.4
0.2
0
−1.6
−1.4
−1.2
−1
−0.8
−0.6
−0.4
−0.2
0
0.2
−0.2
−0.5
0.4
Time (µs)
0
0.5
1
1.5
2
Time (µs)
41
Öznur Mete
HPFBU2012
Deneysel Sonuçların Özeti
Parameter
Specification
Achieved
RF Gradient (MV/m)
85
85
RF Frequency (GHz)
2.99855
2.99855
Charge per Bunch (nC)
2.33
4.4
Charge per Train (nC)
4446
5800
Train Length (ns)
1273
1300
Number of Bunches/Train
1908
1950
Current (A)
3.5
6.6
Normalized Emittance (mm mrad)
<25
14
Energy (MeV)
5.5
5.5
Energy Spread (%)
≤1
0.7
Charge Stability (%)
<0.25
0.8-2.4
Cathode
Cs2Te
Cs2Te
Quantum Efficiency (%)
3
18 (peak)
UV Laser Energy / Pulse (nJ)
370
400
Micropulse Repetition Rate (GHz)
1.5
1.5
Macropulse Repetition Rate (Hz)
1-5
1-5
RF
Electron Beam
‣
İşleme alma çalışmaları kapsamında yapılan
deneylerde PHIN kaynağı için belirlenen tasarım
değerleri başarılmıştır (yük kararlılığı dışında).
‣
Yük kararlılığını iyileştirmek için lazere bir
geribeslemeli kararlılaştırma sisteminin
eklenmesi planlanmaktadır.
‣
Elektron demeti ile lazer ve RF atma şekli arasındaki
bağlılık zaman çözünürlüklü ölçümler sayesinde
anlaşılmıştır.
‣
Tüm ölçümler tekli-bohça kabullenmesi altında,
benzetim sonuçlarınca doğrulanmıştır.
Laser and Cathode
42
Öznur Mete

Foto-enjektör - Indico

Transkript

Benzer belgeler

taek hızlandırıcı projelerý - Türkiye Atom Enerjisi Kurumu

750MHz medİkal radyo frekansı dört kutuplusu - Indico

Veli YILDIZ 5 Şubat 2015 HPFBU

çok amaçlı kullanım ýçýn anaem elektron

s - Indico