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Veröffentlicht von:Eberhart Heldman Geändert vor über 10 Jahren
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Simulationen des Photo-Injektors für FEL
M.Krasilnikov, DESY
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Überblick: Motivation Prinzip des Photo-Injektors
Warum FEL SASE FEL. Warum Photo-Injektor Prinzip des Photo-Injektors Simulationen des Photo-Injektors HF-Komponenten Statische Magnetfelder Strahldynamik Strahldynamik+ Simulationen++
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Warum FEL? FEL Anwendungen
Freie-Elektronen-Laser (Free-Electron-Laser) Strahlung (Licht) ist ein wichtiges Werkzeug zur Beobachtung der Natur. Immer kleinere Strukturen benötigen immer kürzere Wellenlängen. Hohe Intensitäten erlauben die Beobachtung „extremer“ Vorgänge. Kohärenz: Holographische Bilder, räumliche Auflösung Die Beobachtung schneller Abläufe erfordert kurze Pulse.
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Strahlparameter Bunchladung (Strom) Bunch=Elektronenpacket
Energie und Energiebreite Strahlgrösse und Divergenz Emittanz Maß für die Güte des Strahls. Kleiner Emittanz = bessere Strahl!
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Emittanz Trans. Phasenraum Ziel - kleine Emittanz
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FEL. Warum Photo-Injektor?
Freie-Elektronen-Laser (Free-Electron-Laser)
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Oszillator FEL Aber! Wir brauchen: etwas ohne Spiegel
gun LINAC Aber! +Stabilität Anforderungen! Wir brauchen: etwas ohne Spiegel etwas ohne einen Input Laser Nutze die spontane Synchrotronstrahlung des Undulators Verstärke sie in einem einzigen Durchgang SASE (Self Amplifying Spontaneous Emission)
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SASE Strahlqualität; d.h. Elektronendichte Stabilität
Das SASE Prinzip stellt extreme Anforderungen an den Elektronenstrahl Strahlqualität; d.h. Elektronendichte Spitzenstrom (~kA) Extrem kurze Bunche (~100 fs) Strahlquerschnitt und –divergenz (Emittanz ~1 mm mrad) Energiebreite ( ) Stabilität Energie bzw. Laserwellenlänge ( ) Strahllage (FEL-Prozess, Laserstrahltransport) Beim LINAC werden die Grundlagen für die Strahlqualität am Anfang gelegt. Danach kann man alles nur noch schlechter machen! extreme Anforderungen an den Photo-Injektor
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Photo-Injector Schema
Laser RF gun 4 - 5 MeV MeV bunch compressor Superconducting TESLA module (ACC1) 3rd harmonic cavity diagnostic section 12 MV/m > 20 MV/m Photo-Injektor Teststand in Zeuthen (PITZ)
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Photo-Injektor (PITZ)
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Photo-Injektor: RF Gun
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Superconducting TESLA module (ACC1)
Photo-Injektor Laser RF gun 4 - 5 MeV MeV bunch compressor Superconducting TESLA module (ACC1) 3rd harmonic cavity ACC39 diagnostic section 12 MV/m > 20 MV/m Hauptprinzip Schnelle Beschleunigung -> RF Gun Emittanz – Kompensierung -> Solenoid Emittanz – Konservierung -> Booster Strahlkomprimierung -> BC Anpassung -> Quadrupole
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„Slice“ und projizierte Emittanz
x px px x Ohne Solenoid Q~1nC => Raumladung! z Electronenbunch px x In Solenoid magnetische Feld Mit angepasste Gun-Parameter
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Photo-Injektor Simulationen
Laser RF gun 4 - 5 MeV MeV bunch compressor Superconducting TESLA module (ACC1) 3rd harmonic cavity ACC39 diagnostic section 12 MV/m > 20 MV/m Reduce space charge effect on the cathode Longitudinal Phase Space Dz Dpz Longitudinal Phase Space Dz Dpz Longitudinal phase space correction applying 3rd harmonic (3.9GHz) cavity Flat-top longitudinal laser profile 20ps
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Photo-Injektor Simulationen
Laser RF gun 4 - 5 MeV MeV bunch compressor Superconducting TESLA module (ACC1) 3rd harmonic cavity ACC39 diagnostic section 12 MV/m > 20 MV/m Space charge compensating scheme by applying solenoid field Emittance conservation using booster with proper position and gradient - matching conditions:
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Strahl Komprimierung (Chicane BC)
130 MeV 350 MeV 13.6 m 1.7 – 5.4 deg D1BC1 D2BC1 D3BC1 D4BC1 head particles, less energy tail particles, more energy 3.6 m deg RF CSR! tail Dz Dpz head
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Photo-Injektor Simulationen
Klassische Elektrodynamik Hochfrequenz HF-Komponenten Magnetostatik Magnete Strahldynamik+ z.B. Wake-Felder, Impedanzen Strahldynamik
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Klassische Elektrodynamik
Maxwell-Gleichungen Die Materialgleichungen Lorentz-Kraft Vlasov-Gleichung “Bewegungsgleichung”
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Simulationen den HF Komponenten
Gun Kavität T- Kombiner Koppler (Dummykoppler) …
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Simulationen den HF Komponenten
Resonanzstrukturen Kavitäten Solver Eigenmode Transient (TD) FD Wellenleitern Antennen Kopplern FIT = Finite-Integrations-Methode CST MicroWave Studio (MAFIA) SUPERFISH …
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FIT-Diskretisierung den Maxwell-Gleichungen
FIT = Finite-Integrations-Methode FIT Maxwellsche Gittergleichungen Maxwellsche Gleichungen in Integralform Diskretisierung des Raumes primäre und duale Gitter Randbedingungen: Geschlossene Offene Periodische Spezielle
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Beispiel: Gun-Kavität
HF E-Feld (E01-p mode)
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Magnetostatische Felder
Solenoid Quadrupole Dipole … CST EM Studio (MAFIA) POISSON SUPERFISH OPERA 3D …
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Magnetostatische Felder
PITZ Solenoid (POISSON SUPERFISH Simulation)
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Strahldynamik Vlasov-Gleichung Charakteristik Lorentz-Kraft
Externe Feldern (HF, Magnete,…) Raumladung (Coulomb, Kathode-Spiegelladung,…)
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6D Phasenraum
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Strahldynamik + -- Raumladung Raumladung Routinen: Particle-In-Cell
“Voll-Physik“ Tsim, Mem, Randbedingungen, numerische Instabilität LT-Poisson-LT-1 schnell, flexible DE. in ruhe System ≠ 0 Direkt (Punkt-zu-Punkt) Tsim Modelle (analytische, halb-analytische) sehr schnell Idealisierung
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Strahldynamik Simulationen
Raumladung Routinen: Programmen Particle-In-Cell Particle Studio, MAFIA, PARMELA LT-Poisson-LT-1 ASTRA, GPT Direkt (Punkt-zu-Punkt) GPT* Modelle (analytische, halb-analytische) HOMDYN Externe Felder Raumladung Emission Optimierung des XFEL Photo-Injectors. Ziel: Transversal Emittanz <1 mm 1nC
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Optimierung des XFEL Photo-Injectors
Cathode laser (XYrms, [Trms]) + gun parameters (RF Phase, Imain, [sol.pos]) [ ] Emittance (+slope) Booster optimization (booster cavity z-position, gradient and RF phase) Initial guess: booster matching conditions 0 step. “tune” the bunch charge: Emission effects (SC, Schottky) Xrms,Xemit 1 step. Run ASTRA till z=5m
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XFEL Photo-Injector Simulationen. Externe Felder
Superconducting TESLA module (ACC1) RF gun
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XFEL Photo-Injector Simulationen
XFEL Photo-Injector Simulationen. Optimierung für elliptische und zylindrische Kathoden Laserpulsformen Kathodenlaserpuls: elliptisch Vs. zylindrisch Emittanz in XFEL Photo-Injektor. ASTRA Simulationen
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XFEL Photo-Injector Optimierung
Ladungsdichte und Slice-Emittanz innerhalb des Elektronenstrahls Ek=0.55 eV 0.68 mm mrad 0.46 mm mrad Ek=1.0 eV 0.77 mm mrad mm mrad
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Strahldynamik+ : Wake Fielder
Der Beschleuniger ist nach außen neutral. Spiegelströme kompensieren die Felder der beschleunigten Ladung Diese Ladungen „erfahren“ Querschnittsänderungen Oberflächenrauhigkeit Oberflächenleitfähigkeit Diese Einflüsse werden zur Impedanz Z der Kammer (Widerstand) zusammen- gefaßt. Z x I gibt den Energieverlust des Strahls durch diese Effekte
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Simulationen++ Simulationen Messungen Simulationen*
Strahlbasierte Justage des Hauptsolenoids (Beam-Based Alignment = BBA) YAG Screen DDC Hauptsolenoid
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Strahlbasierte Justage des Hauptsolenoids
Elektronenstrahl an der Bildschirm DDC Imain=0A Imain=400A elektrische Achse der Kavität ≠ magnetische Achse des Solenoids!
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Strahlbasierte Justage des Hauptsolenoids
Simulierter Laserspot an der Kathode Simulierte Solenoid Achse
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Danke für Ihre Aufmerksamkeit!
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