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PITZ Ergebnisse - Ein allgemeinverständlicher Überblick -
Anne Oppelt
Technisches Seminar
20.04.2004
Übersicht
• Motivation: Röntgenlaser
• Prinzip des Photoinjektors
• Messergebnisse PITZ1
• Ausblick
EinführungFreie-Elektronen-Röntgenlaser
- Aufbau -
ElektronenquelleBeschleunigerMagnetstruktur
Undulator Linac Photoinjektor
hochenergetische Elektronenpakete
Elektronenstrahlenhöchster Strahlqualität
hochintensive ultrakurzeRöntgenlaserlichtpulse
EinführungFreie-Elektronen-Röntgenlaser
- Funktionsweise -
• ein hochenergetischer Elektronenstrahl wird im Magnetfeld des Undulators auf Slalomkurs gezwungen
• oszillierende Elektronen strahlen hochenergetische Photonen (Lichtteilchen) ab: Röntgenstrahlen
EinführungFreie-Elektronen-Röntgenlaser
- Funktionsweise -
• Oszillationen führen zu Wechselwirkung von Elektronen und Photonen: Scheibchenbildung (micro bunching)
• alle Elektronen eines Scheibchens strahlen kohärent Licht ab (Laserprinzip): sehr kurze Lichtpulse
EinführungFreie-Elektronen-Röntgenlaser
- Funktionsweise -
• Strahlung verstärkt sich (SASE): sehr hohe Intensität der Röntgenblitze
• TTF1 hat SASE-Prinzip nachgewiesen
• mannigfaltige Anwendungen, z.B. in Atom-, Molekül-, Plasma-, Festkörper-, Oberflächenphysik, Chemie, Geoforschung, Material-wissenschaften, Molekular-biologie, Medizin, …
EinführungFreie-Elektronen-Laser
- Strahlqualität -
Zielparameter:• enorme Spitzenleuchtstärke• Zeitauflösung < 100 fs• Wellenlänge Röntgenbereich• Eigenschaften des Laserlichts
Zielparameter können nur erreicht werden, wenn die Elektronenstrahlqualität am Undulatoreingang höchsten Anforderungen genügt !
=1 mm mrad
=4 mm mrad
=2 mm mrad
EinführungFreie-Elektronen-Laser
- Strahlqualität -
Emittanz ε = Maß für die Strahlqualität
bessere Strahlqualität(kleinere Emittanz):• höhere Strahlungsleistung• kleinere Undulatorlänge
EinführungFreie-Elektronen-Laser
- Strahlqualität -
• Strahlqualität kann im Beschleuniger nur schlechter werden
• Quelle muss Elektronen-strahlen mit sehr kleiner Emittanz erzeugen
• große Herausforderung an die Quelle (Photoinjektor)
Emittanz-Weltrekord: ε = 1,2 π mm mradSumitomo Heavy Industries + FESTA, Japan
Motivation für PITZ- Elektronenquellen für die Zukunft -
• Teststand für VUV-FEL und Röntgenlaser
• Erzeugung von Elektronen-strahlen bestmöglicher Strahlqualität
• detaillierter Vergleich von Messungen und Simulationen
• Verbesserung und Weiterent-wicklung der Elektronenquelle
• Test von Neuentwicklungen (Laser, Kathoden, Strahl- diagnoseelemente)
Aufgaben des Photoinjektor-Teststandes in Zeuthen:
Prinzip des Photoinjektors- Eine Elektronenquelle für höchste Strahlqualität -
Kombinierte Erzeugung, Beschleunigung und Bündelung
im Hohlraumresonator
Prinzip des Photoinjektors- Erzeugung eines Elektronenpaketes -
Laserpuls Elektronenpaket
• kurze UV-Laserpulse treffen auf die Photokathode an der Stirnseite des Hohlraumresonators und lösen Photoelektronen aus dem Material (Photoeffekt)• die vielen Elektronen stoßen einander ab
(a) (c)(b)
Prinzip des Photoinjektors- Beschleunigung des Elektronenpaketes -
• das Aufweiten des Elektronenpaketes kann durch eine schnelle Beschleunigung vermieden werden• starke hochfrequente elektromagnetische Wechsel- felder beschleunigen die Elektronen im Hohlraum- resonator auf nahezu Lichtgeschwindigkeit
(a) (c)(b)
Prinzip des Photoinjektors- Fokussierung des Elektronenpaketes -
ungebündeltes Elektronenpaket
• gleichzeitig werden die Elektronen durch einen starken Fokussiermagneten gebündelt, der ein geeignetes Magnetfeld erzeugt• nur so können die Elektronen den Hohlraumresonator als dichtes Paket verlassen
PITZ1 (bis Nov.2003)- Forschungsprogramm -
• Konditionierung des Hohlraumresonators• Vermessung der Eigenschaften des Lasers• Vermessung des Elektronenstrahls
– Ladung– Impuls und Impulsverschmierung– Länge des Elektronenpaketes– Elektronenstrahlgröße und Emittanz
PITZ Ergebnisse - Konditionierung -
Problem: maximaler Beschleunigungsgradient kann nur erreicht werden, wenn Kavität maximale Leistung aufnimmt
Weg: “gewöhne” den Hohlraumresonator langsam an hohe Leistungsaufnahme
– beginne mit kurzen HF-Pulsen, kleiner Wiederholrate und geringer Leistung
– erhöhe langsam die in die Kavität gefüllte Leistung
– erhöhe schrittweise die HF-Pulslänge– schalte den Fokussiermagneten ein
und ändere das Magnetfeld– erhöhe die Wiederholrate
PITZ Ergebnisse - Konditionierung -
Während des Konditionierens: kontinuierliche Überwachung von • Vakuumdruck,• reflektierter HF-Leistung,• Kühlwassertemperatur,• div. Sensoren (IR, PM, e-, …),mit Hilfe des Interlocksystems, denn Feldemission von Oberflächen-unebenheiten (Multipacting, Sparks) können Kathode, Kavität, Kopplerund HF-Fenster zerstören
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
t / sec
a.u. Forw ard pow er
R eflected pow er
PITZ Ergebnisse - Konditionierung -
Erreichte HF-Parameter: 900 μs HF-Pulslänge10 Hz Wiederholrate3 MW HF-Leistung(40 MV/m Gradient)
• Tastverhältnis: 0.9 %• durchschnittliche HF-Leistung: 27 kW
• Dunkelstrom entsteht hauptsächlich durch Feldemission von der Kathode
• Dunkelstrom wird während der gesamten HF-Pulselänge emittiert
• Messung des Dunkelstromsermöglicht Aussagen über Konditionierungserfolg
HF-Puls
Dunkelstrom
PITZ Ergebnisse - Dunkelstrommessungen -
0 100 200 300 400
0
5
10
15
20
25
Main solenoid current (A)
Buc
king
sol
enoi
d cu
rren
t (A
)
60
80
100
120
140
160
0
40
80
120
160
200
33 34 35 36 37 38 39 40 41 42Electric field at the cathode (MV/m)
Da
rkcu
rre
nt(
uA)
PITZ Ergebnisse - Dunkelstrommessungen -
Strommessung in Abhängigkeit von • Beschleunigungsfeld• Art der Kathode• Feldstärke des Fokussiermagneten
Cs2Te
Mo
PITZ Ergebnisse - Eigenschaften von Kathode und Laser -
• Quanteneffizienzmessung der Cs2Te-Photokathode: ≈ 0,5 %• Beobachtung von unerklärten Oberflächenstrukturen auf den Kathoden• Form und Größe des Laserstrahls auf der Photokathode
Standardwert:
mm52,0
mm45,0
y
x
PITZ Ergebnisse - Pulsstruktur des Lasers -
Pulszüge
Mikropulse
PITZ Ergebnisse - Zeitliche Form der Mikropulse -
gaußförmig: ~9 ps rechteckig: ~23 ps
Zei
tach
se
Länge und Form der Mikropulse können variiert werden:
PITZ Ergebnisse - Einfluss der HF-Phase -
Der Energiegewinn bei der Beschleuni-gung ist abhängig von der Phase, bei der das Elektronen-paket erzeugt wird
HF-Welle
Elektronen
Relative HF-Phase
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
-50 0 50 100 150 200RF phase / deg
charg
e / n
C
- I=300A, measured
- I=300A, simulated
PITZ Ergebnisse - Ladung des Elektronenpakets -
• Ladungsmessung mit FC oder ICT• gemessene Ladung abhängig von
- Position des Messinstuments- Phase des HF-Feldes- Magnetstromstärke
0
50
100
150
200
250
300
350
400
-20 0 20 40 60 80 100 120
I mai
n /
A
Phase / deg
Beam Charge / nC
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
Referenzladung: 1 nC
Prinzip: • Ablenkung der Elektronen
im Magnetfeld ist abhängig von deren Impuls
• Messung der Ortsverteilung der abgelenkten Elektronen auf einem Leuchtschirm
• Ablenkung der Elektronen umso kleiner, je größer die Impuls ist
• aus Ortsverteilung kann die Impulsverteilung berechnet werden (Projektion)
PITZ Ergebnisse - Impuls der Elektronen -
Ab
len
kric
htu
ng
Ladung: 1 nC
E0 ~ 42 MV/m
Laser: flat-top
Imain=280 A
Maximaler mittlerer Impuls: 4.72 MeV/c
Minimale Impulsverschmierung: 33 keV/c
PITZ Ergebnisse - Impulsverteilung -
Messergebnisse als Funktion der Phase des HF-Feldes:
RF Phase, degRF Phase, deg
Mittlerer Impuls (MeV/c)
Impulsverschmierung (keV/c)
PITZ Ergebnisse- Länge des Elektronenpaketes -
Minimale Länge (FWHM):(21.04 ± 0.45stat ± 4.14syst) ps (6.31 ± 0.14stat ± 1.24syst) mm
Prinzip: Elektronenpaket trifft auf Radiator und strahlt Photonen ab, die von einer speziellen Kamera (Streakkamera) analysiert werden
Bun
ch le
ngth
(m
m)
in R
MS
90
%RF Phase, deg
0
1
2
3
4
5
6
7
275 280 285 290 295 300 305 310Imain / A
mm
Xrms (EMSY)Yrms (EMSY)Xrms (screen_PP)Yrms (screen_PP)
PITZ Ergebnisse- Querschnitt des Elektronenstrahls -
• Messung von Größe und Form des Strahlflecks auf einem Leuchtschirm• abhängig von
- Position des Schirms- Phase des HF-Feldes- Magnetstromstärke
typische Strahlgröße:0,2 … 4 mm
PITZ Ergebnisse- Bestimmung der Referenzphase -
Messung der Elektronenstrahlgrößezur Bestimmung der Referenzphase
(HF-Phase mit maximalem Energiegewinn)
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
RF Phase / deg
mm
4,1
4,2
4,3
4,4
MeV
Rrms, measured
Rrms, simulated
Ekin, simulated
300 A
Messprinzip: Vermessung des Abbildes von Schlitzen
PITZ Ergebnisse- Emittanzmessung -
Schlitz-maske
Elektronen-strahl
Leuc
htsc
hirm
Beamlet-Profile
Beamlets
PITZ Ergebnisse- Möglichkeiten der Emittanzmessung -
Multischlitzmessungen vs.
Einzelschlitzmessungen
PITZ Ergebnisse- Parameter für optimale Emittanz -
-10 -5 0 5-5
0
5
10
RF phase - F0 / degree
I mai
n -
I focu
s /
A
Simulated EmittanceXY / mm mrad
Ladung: 1 nC
max. Gradient: 42 MV/m
Longitudinales Laserprofil:
– flat top
– 20 ps FWHM
– 5 ps Anstiegszeit
Transversales Laserprofil:
– homogen
– x,y = 0.6 mm
Simulierte Emittanz / π mm mrad
PITZ Ergebnisse- Gemessene Emittanz -
1 nC, -5deg, Imain = 305 A
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
0 10 20 30 40 50 60
Ibuck / A
no
rma
lize
d e
mit
tan
ce
/ m
m m
rad
yx
y
x
εε
ε
ε
1.7
1.5
PITZ Ergebnisse- Einordnung der erreichten Strahlqualität -
1 nC, -5deg, Imain = 305 A
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
0 10 20 30 40 50 60
Ibuck / A
no
rma
lize
d e
mit
tan
ce
/
m
m m
rad
yx
y
x
εε
ε
ε
Weltrekord=1.2
TTF2- Startanforderung =3
Anforderung für XFEL=0.9
TTF2- Startanforderung ist klar erfüllt !
• Studie des Emittanzerhaltungsprinzips:Einbau einer zusätzlichen Beschleunigungsstruktur
• Weitere Verbesserung der Strahlqualität:Arbeiten an Laser, Photokathoden, Kavitäten, Simulationsprogrammen
Ausblick- Pläne für PITZ 2 -
Ausblick- Emittanzerhaltung bei PITZ 2 -
Booster
0
1
2
3
4
5
6
7
8
012345678910z / m
Xrms(TESLA) / mm
EmX(TESLA) / um
Xrms(CDS14) / mm
EmX(CDS14) / um
Xrms(no booster) / mm
EmX(no booster) / um
