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Simulationen des Photo-Injektors für FEL M.Krasilnikov, DESY.

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Präsentation zum Thema: "Simulationen des Photo-Injektors für FEL M.Krasilnikov, DESY."—  Präsentation transkript:

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2 Simulationen des Photo-Injektors für FEL M.Krasilnikov, DESY

3 2 Überblick: Motivation –Warum FEL –SASE FEL. Warum Photo-Injektor Prinzip des Photo-Injektors Simulationen des Photo-Injektors –HF-Komponenten –Statische Magnetfelder –Strahldynamik –Strahldynamik+ –Simulationen++

4 3 Warum FEL? FEL Anwendungen 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. FEL Freie-Elektronen-Laser (Free-Electron-Laser)

5 4 Strahlparameter Bunchladung (Strom) Bunch=Elektronenpacket Energie und Energiebreite Strahlgrösse und Divergenz Emittanz Maß für die Güte des Strahls. Kleiner Emittanz = bessere Strahl!

6 5 Emittanz Trans. Phasenraum

7 6 FEL. Warum Photo-Injektor? FEL Freie-Elektronen-Laser (Free-Electron-Laser)

8 7 Aber! +Stabilität Anforderungen! Oszillator FEL 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)

9 8 SASE Strahlqualität; d.h. Elektronendichte –Spitzenstrom (~kA) –Extrem kurze Bunche (~100 fs) –Strahlquerschnitt und –divergenz (Emittanz ~1 mm mrad) –Energiebreite ( ) Das SASE Prinzip stellt extreme Anforderungen an den Elektronenstrahl 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

10 9 Photo-Injector Schema Laser RF gun MeV MeV bunch compressor Superconducting TESLA module (ACC1) 3 rd harmonic cavity diagnostic section 12 MV/m > 20 MV/m Photo-Injektor Teststand in Zeuthen (PITZ)

11 10 Photo-Injektor (PITZ)

12 11 Photo-Injektor: RF Gun

13 12 Photo-Injektor Hauptprinzip –Schnelle Beschleunigung -> RF Gun –Emittanz – Kompensierung -> Solenoid –Emittanz – Konservierung -> Booster –Strahlkomprimierung -> BC –Anpassung -> Quadrupole Laser RF gun MeV MeV bunch compressor Superconducting TESLA module (ACC1) 3 rd harmonic cavity ACC39 diagnostic section 12 MV/m > 20 MV/m

14 13 Slice und projizierte Emittanz x pxpx pxpx x In Solenoid magnetische Feld Mit angepasste Gun-Parameter Electronenbunch pxpx x Ohne Solenoid Q~1nC => Raumladung! z

15 14 Photo-Injektor Simulationen Laser RF gun MeV MeV bunch compressor Superconducting TESLA module (ACC1) 3 rd harmonic cavity ACC39 diagnostic section 12 MV/m > 20 MV/m Reduce space charge effect on the cathode Flat-top longitudinal laser profile 20ps Longitudinal phase space correction applying 3rd harmonic (3.9GHz) cavity Longitudinal Phase Space z p z Longitudinal Phase Space z p z

16 15 Laser RF gun MeV MeV bunch compressor Superconducting TESLA module (ACC1) 3 rd harmonic cavity ACC39 diagnostic section 12 MV/m > 20 MV/m Photo-Injektor Simulationen Space charge compensating scheme by applying solenoid field Emittance conservation using booster with proper position and gradient - matching conditions:

17 16 Strahl Komprimierung (Chicane BC) tail z p z head RF 13.6 m 1.7 – 5.4 deg D1BC1 D2BC1D3BC1 D4BC1 head particles, less energy tail particles, more energy 3.6 m deg CSR! 130 MeV350 MeV

18 17 Photo-Injektor Simulationen Klassische Elektrodynamik Hochfrequenz HF-Komponenten Magnetostatik Magnete Strahldynamik+ z.B. Wake-Felder, Impedanzen Strahldynamik

19 18 Klassische Elektrodynamik Maxwell-Gleichungen Lorentz-Kraft Bewegungsgleichung Die Materialgleichungen Vlasov-Gleichung

20 19 Simulationen den HF Komponenten Gun Kavität T- Kombiner Koppler (Dummykoppler) …

21 20 Simulationen den HF Komponenten CST MicroWave Studio (MAFIA) SUPERFISH … Solver Eigenmode Transient (TD) FD Resonanzstrukturen Kavitäten Wellenleitern Antennen Kopplern FIT = Finite-Integrations-Methode

22 21 FIT-Diskretisierung den Maxwell-Gleichungen Maxwellsche Gleichungen in Integralform FIT = Finite-Integrations-Methode FIT Maxwellsche Gittergleichungen Randbedingungen: Geschlossene Offene Periodische Spezielle Diskretisierung des Raumes primäre und duale Gitter

23 22 Beispiel: Gun-Kavität HF E-Feld (E 01 - mode)

24 23 Magnetostatische Felder Solenoid Quadrupole Dipole … CST EM Studio (MAFIA) POISSON SUPERFISH OPERA 3D …

25 24 Magnetostatische Felder PITZ Solenoid (POISSON SUPERFISH Simulation)

26 25 Strahldynamik Externe Feldern (HF, Magnete,…) Raumladung (Coulomb, Kathode-Spiegelladung,…) Lorentz-Kraft Vlasov-Gleichung Charakteristik

27 26 6D Phasenraum

28 27 Strahldynamik Raumladung Raumladung Routinen: +-- Particle-In-CellVoll-Physik Tsim, Mem, Randbedingungen, numerische Instabilität LT-Poisson-LT-1schnell, flexible. in ruhe System 0 Direkt (Punkt-zu-Punkt)Voll-Physik Tsim Modelle (analytische, halb-analytische) sehr schnellIdealisierung

29 28 Strahldynamik Simulationen Externe Felder Raumladung Emission Optimierung des XFEL Photo-Injectors. Ziel: Transversal Emittanz <1 mm 1nC 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

30 29 Cathode laser (XYrms, [Trms]) + gun parameters (RF Phase, Imain, [sol.pos]) [ ] Optimierung des XFEL Photo-Injectors 0 step. tune the bunch charge: Emission effects (SC, Schottky) 1 step. Run ASTRA till z=5m Xrms,Xemit Emittance (+slope) Booster optimization (booster cavity z-position, gradient and RF phase) Initial guess: booster matching conditions

31 30 XFEL Photo-Injector Simulationen. Externe Felder Superconducting TESLA module (ACC1) RF gun

32 31 XFEL Photo-Injector Simulationen. Optimierung für elliptische und zylindrische Kathoden Laserpulsformen Kathodenlaserpuls: elliptisch Vs. zylindrisch Emittanz in XFEL Photo-Injektor. ASTRA Simulationen

33 32 XFEL Photo-Injector Optimierung Ladungsdichte und Slice-Emittanz innerhalb des Elektronenstrahls Ek=0.55 eV0.68 mm mrad0.46 mm mrad Ek=1.0 eV0.77 mm mrad mm mrad

34 33 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

35 34 YAG Screen DDC Simulationen++ Strahlbasierte Justage des Hauptsolenoids (Beam-Based Alignment = BBA) Simulationen Messungen Simulationen* Hauptsolenoid

36 35 Strahlbasierte Justage des Hauptsolenoids Elektronenstrahl an der Bildschirm DDC I main =400A I main =0A elektrische Achse der Kavität magnetische Achse des Solenoids!

37 36 Strahlbasierte Justage des Hauptsolenoids Simulierte Solenoid Achse Simulierter Laserspot an der Kathode

38 37 Danke für Ihre Aufmerksamkeit!


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