DESY–Zeuthen Technisches Seminar 2015-04

TecSemZ : 2015-04-21 / M.Vogt (DESY–MFL) : FLASH2
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DESY–Zeuthen Technisches Seminar 2015-04-21
FLASH2, die neue Beamline bei FLASH
Mathias Vogt (DESY–MFL)
¨
• Uberblick
FLASH
• FLASH2 : Prinzipieller Aufbau
• Inbetriebnahme / 1st beam to dump / 1st lasing
• Parallelbetrieb von FLASH1 & FLASH2
•
Bei Interesse & Zeit : Was ist ein FEL
FLASH
Free−Electron Laser
in Hamburg
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Uberblick
FLASH (vor dem Umbau)
RF−stations
RF−station
D−chicane
RF−stations
β −collimation
S−chicane
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1.3GHz SCRF
3.9GHz SCRF
RF gun (1.3GHz/warm)
1.3GHz SCRF
1.3GHz SCRF
beam dump
sFLASH
FEL user hall
SASE undulators
(seeding)
E−collimation
LOLA (tds)
injector laser
5 MeV
150 MeV
450 MeV
up to 1250 MeV
FIR undulator
PETRA−III
315m
• Normalleitende
RF photocathode gun
• Freie Elektronen LASER (FEL)
• supraleitender LINAC 1.3 GHz
• weiche R¨
ontgenstrahlung:
40 nm → 4 nm
• duty cycle ≈ 1.5%
• hohe Brillanz
⇒ bis zu 8000 Bunche /s
• kurze Photon–Pulse
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FLASH: RF Potocathode Gun
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• Weiterentwicklung / Optimierung: PITZ
• Normalleitendes
1.6–cell Cu–cavity
← Pfwd ≈ 5 MW,
Emax,cathode ≈ 55 MV/m
• CsTe–Photokathode
• 292 nm LASER : max 800
bu (1 µs Abstand) bei 10 Hz
Wiederholfrequenz
• LASER–Pulsl¨
ange : 6.5 ps
• Bunchladung: 20 pC → 3 nC
Bunchenergie: ≈ 5.3 MeV
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FLASH: Erste Beschleunigungsmodule (ACC1 & ACC39
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• ACC1: 8 × TESLA 9–cell Niob–cavity
→ Energiegewinn 160 . . . 165
MeV
• ACC39: “Dritte Harmonische” (3 × 1.3 = 3.9) GHz
→ Linearisierung der Bunchkompression
→ Entschleunigung −15 . . .−
20 MeV
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FLASH: Bunchkompression : 2 Stufen
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Bunchkompression = Energie–Chirp (RF) × Magnetische Schikane
1. Stufe: ACC1/39 × BC2
2. Stufe: ACC23 × BC3
bunch with E−chirp
dE/E
dE/E
z
z
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FLASH: Haupt–LINAC (ACC45/67)
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5 MeV
145 MeV
450 MeV
• 4 Module (je 8 cav.)
• ACC7 : XFEL Prototyp :
> 400 MeV Energiegewinn
• Endenergie :
≈ 380 MeV ∼ 40 nm
(← Entschleunigung!)
bis 1250 MeV ∼ 4.15 nm
(← max)
380 − 1250 MeV
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FLASH: FLASH1–UNDULATOR
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• Fixed gap Undulatoren
⇒ FEL Wellenl¨
ange NUR u
¨ber e− –
2
Strahlenergie λfel ∝ 1/Ebeam
S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N
x
p
p
s
N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S
x
s
E
s
x
s
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FLASH: Zeitstruktur
• 500 µs Fu
¨llzeit (SL cavities)
• bis 800 µs nutzbares flat top
(RF–Puls)
• RF–Pulse mit 10 Hz
⇒ 10 Bunchtrains/s
mit max. 800 Bunchen
• LASER : Bunche mit max 1 MHz
• Zuviel fu
¨r eine beam line ?????
⇒ max 800 bu/RF–Puls
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FLASH mit FLASH1 und FLASH2
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FLASH2 Geb¨
aude
• Extraktion (Anschluss an den
FLASH LINAC)
• FLASH2 “Tunnel”
• Technik–Abseiten Nord/Su
¨d
← Obergeschoss : Hochleistungslaser
• FLASH2 Experimentierhalle
fu
¨r FLashForward
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Uberblick
FLASH (nach dem Umbau)
• FLASH = FLASH–Injektor → FLASH–LINAC → { FLASH1 & FLASH2 }
• Gemeinsame gun & gemeinsame Module (→ split flat tops) &
gemeinsame Magnete in Injektor und LINAC
• 2 (ev. 3) unabh¨
angige Injektor– • FL2: variable gap Undulatoren
LASER
⇒ FL2 Wellenl¨
ange (m.o.w.) unabh¨
angig von FL1
• FL1: fixed gap Undulatoren
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Beispiel fu
¨r neue Zeitstruktur (2 beam lines)
Beide beam lines mit jeweils 10 Hz ⇒ split bunch trains
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Das Herzstu
¨ck der Zweigleisigkeit : Die Extraktion
• Nach dem letzten Modul:
→ Lambertson Septum (↑ rechts):
• 2 (3) vertikale Kicker mit extrem • unteres Strahlrohr
glatten flat top (kein Bild)
→ geradeaus → FLASH1
→ FL1 ungekickt
→ FL2 nach oben
• oberes Strahlrohr
→ 6.5◦ nach rechts → FLASH2
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Die FLASH2 Undulatorhalle (“FLASH2 Tunnel”)
% e− –dump
. FLASH linac / Extraktion
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Die FLASH2 Undulatorhalle (“FLASH2 Tunnel”)
e− –dump -
FLASH linac / Extraktion &
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Die FLASH2 Undulatoren
• Variables Undulator gap ⇒ fu
¨r gegebene e− –Energie :
FEL–Wellenl¨
angenbereich
• 0.7 GeV : 10 nm → 40 nm
• 1.0 GeV : 6 nm → 20 nm
• 1.2 GeV : 4.5 nm → 13.5 nm
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oben FLASH2 variable
gap Undulator mit
Diagnose St¨
ander
(l + r)
unten Diagnose St¨
ander
(von l.n.r.):
→ Phaseshifter,
→ IGP,
→ hochaufl. BPM,
→ Quadrupol
(auf mover),
→ AirCoil
(Undu.–Korr.)
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Separation e− / γ
% e− –dump
. FLASH2 Undulatoren
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γ Beamline / e− –Dump
↓ γ beamline ↓
e− –Dump &
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Separation e− / γ : Gegen Strahlrichtung
FLASH2 Experimentierhalle →
← FLASH2 Undulatoren
e− –Dump &
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γ Diagnose
← FLASH2 Undulatoren
FLASH2 Experimentierhalle →
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FLASH2 Inbetriebnahme : 04.03.2014 : Erster Strahl durchs Septum
• Optik vor dem Septum!
• Orbit vor dem Septum!
• Septum Winkel (Strom)!
• Bild: FL1 (unten) & FL2 (oben)
Bunch (auf OTR Schirm)
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FLASH2 Inbetriebnahme : 23.05.2014 : Erster Strahl im Dump
• FLASH2 Diagnostik (BPMs,
Schirme, Strahlstrom–Monitore)!
• Optik & Orbit in Extraktion!
• Optik & Orbit in FL2 beam line!
• Undulatoren noch offen (=“aus”)
• Bild : Bunch auf OTR vor Dump
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FLASH2 Inbetriebnahme : 20.08.2014 : First Lasing
• Parallelbetrieb : FL1 mit 250 bu
bei 13.5 nm
• 4 (von 12) Undulatoren (ganz) geschlossen
• Entsch¨
arfte Optik
• Kompression wie in FLASH1
• FL2: 700 MeV ⇒ 40 nm
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Seither: Kontinuierlicher Fortschritt
• e− –Diagnostik stabilisiert
• Vorl¨
aufige γ–Diagnostik in Betrieb
• Dispersion (Wirkung der Ablenkmagnete bei abwei→ Lasing optimiert bei verschiedechender Energie) optimiert
nen Wellenl¨
angen
• Optik verbessert
• Bild : FEL Strahlung auf Schirm
• Orbits besser verstanden
in γ beam line
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FLASH2 Inbetriebnahme : work in Progress
Inbetriebnahme geht weiter. Optimierung noch nicht abgeschlossen.
• Optik (Anpassung der Extraktion) • Neue γ–Diagnostik
• Dispersion (Anpassung Extr.)
• Verbesserung der e− –Diagnostik
• Orbit im Undulator
• Inbetriebnahme der γ beam line in
der neuen Experimentierhalle
• Operating (siehe unten)
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Betrieb mit 2 Beam Lines : Optik
Optik (DC–Magnete!) muss fu
¨r Injektor/LINAC, FLASH1 und FLASH2 passen!
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Betrieb mit 2 Beam Lines : Orbit
• Orbit vor Septum → FL1 & FL2
• Sensitiver Knopf beim SASE tunen!
• Sensitiver Knopf fu
¨r Transmission zu FL2
→ Operating !!!
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Betrieb mit 2 Beam Lines : Timing & Kontrollsystem
• Variable bunch patterns
• Variable Injektor–LASER Steuerung
• 2 (statt 1) “Referenzbunch(e)”
• Neues (komplizierteres) MachineProtectionSystem
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TecSemZ : 2015-04-21 / M.Vogt (DESY–MFL) : FLASH2
Betrieb mit 2 Beam Lines : RF (split flat tops)
H¨
ohere Anspru
at der Regelung!
¨che and Bandbreite und Flexibilit¨
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Betrieb mit 2 Beam Lines : Operating
• Kopplung der 2 Undulator beam
lines durch den gemeinsamen Teil
• “Gr¨
oßerer” Beschleuniger
(Injektor & LINAC)
⇒ mehr Hardware, Parameter, Pro⇒ er¨
ohte Komplexit¨
at / mehr Nezeduren, Panels
benbedingungen
⇐ Jetzt standardm¨
aßig 2 Operateure
→ Umdenken der Operateure (kein
fu
¨r FLASH
“losgel¨
ostes Gepfriemel” mehr!)
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Zusammenfassung
• FLASH bietet als supraleitender LINAC (hoher duty cycle) die
Mo
¨glichkeit mehrere (im Moment 2) beam lines mit hoher Bunchrate
zu bedienen.
• FLASH2 ist die (neue) zweite beam line
• Durch die modernen variabel gap Undulatoren kann die FLASH2
FEL–Wellenl¨
ange (fast) unabh¨
angig von FLASH1 eingestellt werden.
• Die Inbetriebnahme von FLASH2 begann im letzten Jahr (2014)
• Um die FLASH1 user nicht zu verprellen, gab es nur wenig dedizierte
FLASH2 Inbetriebnahme–Zeit
• Die Inbetriebnahme war soweit sehr erfolgreich : FLASH2 liefert
FEL–Strahlung im Parallelbetrieb zu FLASH1 und in einem weiten
Wellenl¨
angenbereich.
• Die FLASH2 Inbetriebnahme wird nach Ein-/Um-bau der Photon beam
line (ca. ab Ende Mai 2015) fortgesetzt.
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TecSemZ : 2015-04-21 / M.Vogt (DESY–MFL) : FLASH2
Danke fu
oren !!
¨r’s Zuh¨
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EXTRA SLIDES:
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Grundprinzip FEL : “Elektron” im Undulator + EM–Welle
• kurzwellige magnetische
Dipol–Struktur
(Um das unanschauliche −1 zu ver-
• Teilchen “taumelt”a
x S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N
meiden, betrachten wir Positronen)
• Zus¨
atzlich: elektromagnetische Welle
→ je nach Phase : Teilchen
verliert (oben) oder gewinnt (unten) Energie
• Dispersion im Undulator
• Teilchen “rutscht nach
hinten (oben) oder vorne
(unten)
a die k¨urzeste Verbindung zwischen 2 Kneipen ist
bekantermaßen die Sinuskurve
p
p
s
N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S
x
s
E
s
x
s
TecSemZ : 2015-04-21 / M.Vogt (DESY–MFL) : FLASH2
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Grundprinzip FEL : Bunching im Undulator / SASE Instabilit¨
at
• Bei Resonanz: Phasen mit
Energiegewinn (Teilchen)
werden “verdu
¨nnt”
• Je nach Phase rutschen Teilchen
im Bunch nach vorne oder hinten
⇒ Modulation der Ladungsdichte
(=bunching)
ρ
ρ
s
ρ
ρ
s
⇒ Amplitude der EM–Welle
(→ E–Feld) nimmt zu
s
⇒ mehr bunching
⇒ exponentielles Wachstum
(gewollte Instabilit¨
at)
s
E
s
→ kann aus dem “Rauschen”
(spontane Undulatorstrahlung) zu
¨nden
• Kollektiver Effekt : gain
h¨
angt vom Anfangsspitzenstrom ab
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Grundprinzip FEL : Transversale Koh¨
arenz (vereinfacht!)
• Die einzelnen Mikrobunche sind ku
¨rzer als die
Wellenl¨
ange der Strahlung
λE
λbunch
coherence:
λbunch << λ E
→ die Teilchen im bunch
strahlen “gemeinsam” ab
(Kopplung durch Nahfelder)
→ stimulierte Emission
→ LASER
• jeder Mikrobunch
(mit n Teilchen) strahlt
koh¨
arent
→ insbes. gilt:
Intensit¨
at ∝ n2
I ~ n2
incoherent :
λ bunch >> λ E
ρ
s
I~n
• Mikrobunche untereinander unabh¨
angig
(nicht gekoppelt)
⇒ Lange Bunche sind:
⇒longitudinal nicht koh¨
arent.

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