PHIL : une source d’électrons brillante
H. Monard - LAL
Activités du LAL
Processus d’émission d’électrons
A partir de la matière stable :
•Si on chauffe suffisamment émission THERMO-IONIQUE
•Si on éclaire suffisamment émission PHOTOELECTIQUE
•Si on applique un fort champ électrique émission DE CHAMP
•Si on envois une autre particule émission SECONDAIRE
• autres : émissions ferroélectrique, plasma, …
Plusieurs processus peuvent avoir lieu en même temps
Si la matière est instable naturellement : radioactivité β- AZ A
X ÆZ-1 Y + e- + ν
Spectre en énergie de l’électron et continu Temps émission 30 s à 30 ans
THERMO-IONIQUE PHOTOELECTRIQUE DE CHAMP SECONDAIRE e-
laser
e- E e-
particule e-
18 9
18
F Æ 8O + e- + ν T = 110 min
<E> = 0.25 MeV
• Faisceau Intense : courant élevé
• Cathode robuste : longue durée de vie
• Faisceau Brillant 1/émittance
• Durée impulsion courte
Comment fait-on un faisceau d’électrons ?
cathode anode
faisceau
E
Principe du canon
Émission d’électrons + accélération avec E énergie faisceau du keV au MeV
Faisceau = ensemble d’électrons
répulsion coulombienne - -
Industrie
Recherche Qualités recherchées
Émission électrons
Canon HF
Canons Photoélectriques
laser e-
canon HF
Onde E.M. stationnaire (F = 3 GHz) Principe canon HF
E R.F.
Laser
faisceau électrons
cathode
Avantages :
Impulsion laser courte : faisceau électrons courts (ps) Faible dispersion énergie < 1%
Faible émittance ~ 1 mm.mrad
Coupe canon HF 2.5 cellules
cuivre cathode
Design par simulation
10 cm
Photo-injecteurs Source photons Source RF
Cathode+cavité
Canons Photoélectriques
laser e-
-1,2 -1,1 -1,0 -0,9 -0,8 -0,7 -0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5
z/λ (cm)
Ez
E/Esortie Enveloppe Ez Ez vu par électron
mauvaise phase
bonne phase
Optimisation énergie sortie Canon 2.5 cellules
E(z,t) = Eo cos(kz) sin(ωt+φ)
énergie
enveloppe Ez E vu par électron
Champ E décélérateur
Ezmax = 80 MV/m
2.7 MeV
-1,2 -1,1 -1,0 -0,9 -0,8 -0,7 -0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5
z/λ (cm)
Ez
E/Esortie Enveloppe Ez Ez vu par électron
5.6 MeV
Réalisation d’un canon HF
• Simulations HF : définissent les formes, les diamètres internes des cavités (Poisson, HFSS,…)
• Simulations transport faisceau : caractéristiques du faisceau (Parmela, ASTRA, …)
• dessins mécaniques : définissent les pièces mécaniques
• Simulations mécaniques : le circuit de refroidissement, les contraintes de pompage
• (Réalisation d’un prototype)
• Usinage pièces mécaniques avec surcôtes (diamètre)
• Montages et réglages : mesures HF bas niveau (fréquence, couplage, mesure du champ axial)
• Reprises éventuelles des côtes sur machines outils
• Usinage pièces définitives
• Brasage des pièces
• Tests étanchéité, et circuit de refroidissement
• Mesures HF bas niveau et vérification finale
• Montage sur ligne transport et caractérisation du faisceau
• Durée moyenne réalisation ~ 12 mois
• Coût canon 2.5 cellules ~ 80 k€
Comment fait-on un canon HF ?
Canons HF fait au LAL
Injecteur CLIC probe beam 2.5
CERN/Calife 2008
2.5 4.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 1.5 1.5 nc
Phil : R&D canon LAL/PHIN3
2010
Production RX ThomX
2012 ?
Laser plasma Lunex
2013 ?
R&D canon LAL/C4
2012 ?
Production RX Alpha-x
2003
Injecteur CLIC drive beam CERN/PHIN 1
2007
Radiolyse pulsée Elyse 2
2012 ?
Radiolyse pulsée Elyse
2000
R&D canon HF CANDELA
1988
Application Nom
Année
Canon H.F & Booster ELYSE
F = 3 GHz
10 cm
Canon HF (1.5 cell)
Booster 3 MeV
9 MeV
ALPHAX
- Photoinjecteur utilisé à Strathclyde en Ecosse destiné à produire des paquets courts de faible charge et de faible émittance pour la production de rayonnement X ( accélération laser – plasma + LEL )
- Le 2ème de la série est actuellement utilisé pour PHIL
Couplage RF axial
2.9985 Fréquence
1 Emittance (mm mrad)
< 0.1 Charge (nC)
100 Êacc(MV/m)
2.5 Nombre cellules
ALPHAX Paramètres
canon alpha-x
Couplage RF axial
Canon 2.5 cellules F = 2998.5 MHz
154 mm
120 mm
83.5 mm
Pas de plongeur d’accord
canon PHIN
Canon 2.5 cellules F = 2998.5 MHz
Pas de plongeur d’accord
PHIL installation
electron source
RF source photon
source
User area 2.5 m
PHoto-Injecteur au LAL
Bât 200
PHIL-Laser
Oscillator Nd-YLF F= 74,963750MHz W/impulsion: 2 nJ
Amplification Nd-YLF gain ~ 106
Pockels cell
X 2
X 2
1 mJ
80 µJ
Source photons Laser requirements
parameters value units
wavelength 260 ±10 nm
duration FWHM 5 < t < 10 ps
Frep 5 Hz
energy/pulse > 50 µJ energy stability < 2 %
spatial stability < 30 µrad synchro jitter < 2 ps beam diameter 1/e² < 5 mm
532 nm
1064 nm 266 nm
Photocathode
Cs = 16 nm Te = 20 nm
CsTe QE ~ 8% fabrication
QE ~ 1 % après qlq heures de HF (co-evaporation est meilleure) Durée de vie ~ plusieurs mois
Cs2Te photocathode (Elyse)
-Début avec Cu ~ 200 pC -Cathode CsTe ~ 4 nC
projet de bras de transfert avec CERN - Autres types de photocathodes ?
Souplesse utilisation injecteur : - signaux détection
- faible émittance
- durée impulsion courtes
Q
Détail bras de transfert Source électrons
PHIL-RF transport
SF6 Pik
Prk
Pic Prc
MODULATOR KLYSTRON
CIRCULATOR
RF GUN PA
pump
pump
Pmax = 14 MW isolator ok Source RF
Ligne transport actuelle
laser BPM
RF gun
60° dipole
BPM
Beam catcher slit FC
H&V steerer solenoids
RF input
YAG 1
1 m
Fisrt version
ICT2
B1 B3
B5
Taille faisceau
PHIL Premier faisceau !
4 Novembre 2009
E ~ 3.2 MeV Q ~ 0.3 nC
FWHM ~ 2 mm
Taille faisceau
Taille minimum atteinte : 0.5 mm
Charge
Prc laser
Charge= f(phase)
IObsc Prc
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
phase (deg)
Q (nC)
500 ns
50 mV/div 200 mV/div
Courant d’obscurité Photo-Courant
Iph
Émission de champ Photoémission
Transport futur proche
laser BPM
RF gun
Beam catcher
solenoids
YAG3 RF input
YAG 1
1 m
Fisrt version
ICT2
YAG4 YAG2
ICT1
émittance
