Short bunch production - Low alpha setting

Une demande des utilisateurs de la structure temporelle d'une part, et du rayonnement synchrotron cohérent (CSR) dans le domaine du THz d'autre part, pour travailler avec des longueurs de paquet plus courtes, a conduit à la recherche d'un réglage optique dit "Low-alpha".

Dans un anneau de stockage, la longueur des paquets dépend principalement de l'énergie des électrons, de la tension appliquée dans les cavités radiofréquence (RF) et du paramètre α, le facteur de compression des moments ("momentum compaction factor"). Le paramètre α caractérise la variation relative de la longueur de la trajectoire en fonction de la variation relative de l'énergie des électrons. Sa valeur est fixée par la fonction dispersion et il possède plusieurs ordres α1, α2, α3, … . Pour le réglage nominal, avec αnom= 4.4 10^-4, la longueur des paquets à courant nul est de 15 ps rms (4.5mm) pour une tension de la cavité RF de 3 MV. Malheureusement, quand le courant par paquet augmente, l'interaction du faisceau d'électrons avec son environnement conduit à une augmentation de la longueur des paquets qui atteint par exemple 25 ps pour un courant de 5mA par paquet.

Un moyen de réduire la longueur de paquet est de réduire le paramètre α d'un facteur significatif. Par exemple, réduire α1 d'un facteur 10 permet de réduire la longueur de paquet à faible courant d'un facteur √10 et d'atteindre ainsi des longueurs de paquet de quelques picosecondes. Pour SOLEIL, un réglage a été optimisé par Maher Attal (SESAME, Jordanie) dans le cadre de sa thèse de doctorat, pour obtenir une réduction de α1d'un facteur 10 tout en maintenant une émittance horizontale petite et une grande acceptance en énergie longitudinale (α2 faible). Les fonctions optiques de ce réglage (figure 1) sont très différentes de celles du réglage nominal (surtout en vertical) et la mise en place sur la machine nécessite l'inversion des alimentations d'une famille de quadrupôles et d'une famille de sextupôles. L'émittance horizontale est de 8 nm.rad et les nombres d'onde sont 20.40 et 8.30. Deux points critiques ont été étudiés : la stabilité de la position transverse (plus α1 est petit, plus le transfert des oscillations en énergie vers le plan horizontal est grand) et le faible rendement d'injection. La stabilité de la position transverse est obtenue grâce aux deux feedbacks de position (lent et rapide). Quant au rendement d'injection, les études théoriques et expérimentales ont montré que sa faible valeur est imposée par la dynamique non-linéaire transverse off-momentum spécifique de ce réglage [1]. Pour éviter les injections fréquentes avec un mauvais rendement, la durée de vie est augmentée à 20 h par gonflement de la dimension verticale du faisceau d'électrons.

A partir de ce réglage, la valeur de α1 peut encore être réduite sans changer le réglage des fonctions optiques. Une réduction d'un facteur 100 a été obtenue avec un courant stocké très faible. Des longueurs de paquets de 3.2 ps rms, pour un courant par paquet de 2µA, ont été mesurées avec la streak camera à αnom/45.Une campagne de mesure de longueur de paquet en fonction du courant par paquet a mis en évidence que pour αnom/10 l'allongement naturel du paquet se produisait à partir de 50 µA par paquet mais que le bénéfice de la réduction de α1, en deçà de αnom/10 était maintenu jusqu'à un courant par paquet de 100 µA (figure 2). En parallèle, des sessions d'étude Machine ont été dédiées à l'utilisation de ce réglage par la ligne AILES [2] avec des valeurs de αnom/10 et αnom/25. Les mesures ont permis de déterminer la gamme de courant par paquet optimale pour augmenter fortement (3 à 4 décades) la puissance émise dans le domaine infrarouge, tout en gardant des paquets stables [3].

 La mise en place de ce réglage optique est maintenant reproductible avec un remplissage hybride constitué de 20mA dans 312 paquets et d'un paquet isolé de 65 µA. Ce réglage a été mis en opération pour la 1ère fois les 10 et 11 décembre 2011 (Opération Low-Alpha). 

[1]  Dynamique de faisceau pour le réglage Low-alpha (1008.63 KB)
[2] Ligne de lumière AILES 
[3]  C. Evain et al., "Terahertz coherent synchrotron radiation at the synchrotron SOLEIL", IRMMW-THz 2010, Sept. 2010

Figure 1: Fonctions optiques du réglage \"Low-Alpha\" (un quart d'anneau)

Figure 2: Variation de la longueur de paquet en fonction du courant par paquet pour α_nom/10 et α_nom/45 et une tension RF de 4MV. Les mesures de longueur de paquets ont été faites avec la
streak camera

Contact: Marie-Agnès Tordeux