Fragen und Antworten zum FLASH Betrieb. Teil der FLASH-Operateur Ausbildung im Rahmen des Beschleuniger-Betriebsseminars 2016 Christian Grün für das FLASH TC-Team: A. Brinkmann, C. Grün, K. Heuck, K. Klose Beschleuniger – Betriebsseminar 2016 Travemünde 02. November

Themenschwerpunkte Ermittelt anhand der Umfrageergebnisse: ZZ bei FLASH2 Dipole und Strahlfreigabe Beam Loss Monitore Orbit Panel FLASH2 Undulatoren Feedbacks THz-Undulator

1. ZZ FLASH 2 aber Betrieb bei FLASH1 ZZ/Tunnel offen bei FLASH2, wenn FLASH1 in Betrieb ist Der Beamshutter (BSFL2EXTR) darf nicht mit Strahl getroffen werden. Um das sicherzustellen müssen die FL2EXTR Magnete geerdet werden, bevor der BS geschlossen wird. Der BS muss bei ZZ geschlossen sein. Er schützt vor Bremsstrahlung aus der Extraction-Beamline. Abbildung von M. Vogt

ZZ bei FLASH 2: Shutdown-Prozedur Sequenzer: gibt bei Shutdown/Restart Personen-Interlock relevante Handlungen vor.

ZZ bei FLASH 2: Restart-Prozedur Sequenzer: gibt bei Shutdown/Restart Personen-Interlock relevante Handlungen vor.

2. Dipole D1ECOL und D6DUMP und Strahlfreigabe D9SAMTCH D6DUMP Dipol D6DUMP verhindert, dass Elektronen, die durch das Dogleg transportiert werden, in die Photonbeamline gelangen. Das Dogleg (D1ECOL) dient als Energie-Filter. D1ECOL und D6DUMP müssen im richtigen Verhältnis stehen. Elektronen mit nicht angepasster Energie werden im Dogleg gedumpt. Elektronen mit an D1ECOL angepasster Energie müssen den Dump treffen. Bedingungen Strahlfreigabe:       Oder:  

Cycling D1ECOL und D6DUMP Dipolstrom lässt sich ändern, solange das Verhältnis D6DUMP/D1ECOL stimmt (abgefangen im DOOCS server) Cycling: Strom von D9SMATCH auf min. -210 A setzen. Alternativer Strahlfreigabe-Mode: SMATCH mode Strahl wird Energieunabhängig mit D9SMATCH „gedumpt“ Merke ! : Mit dem PS–control Programm (Steve.H) lassen sich alle Dipole immer unabhängig voneinander massieren und setzen ! Geht auf Kosten der Strahlfreigabe ! FLASH2: Versatz in der Photonbeamline (über zwei Spiegel) verhindert Strahltransport in die Experimentierhalle.

3. FLASH2 Beam Loss Monitore Jeder BLM misst absoluten Wert an einer dedizierten Position Y-Ordinate zeigt ADC-Ausgang an (Max. = 14 bit = 16383) Alarmschwellen sind an die jeweiligen Positionen angepasst Ursprüngliche Kalibrierung: 100% Strahlverlust mit 100pC Anschließend Erhöhung der Sensitivität Keine Messung der verlorenen Ladung möglich Receiver FLASH2 BLM (XFEL-Typ)

FLASH1 Beam Loss Monitore Receiver Analog SV Messprinzip wie in FL2 Signalverarbeitung: Analog- statt Digital-Elektronik (keine ADC) Kalibrierung: wie bei FL2 Ebenfalls mit angepasster Sensitivität Umbau auf FLASH2 Technologie in Planung Keine Messung der verlorenen Ladung möglich FLASH1 Typ

4. Orbit Panel - Übersicht Zeigt aktuelle Referenzdatei an oder Zeitpunkt des Setzens der Referenz Aktueller Orbit wird zum Referenz Orbit deklariert Anzeige: Differenzorbit (gemittelt) Abweichung des aktuellen Orbits zur gespeicherten Referenz FL1/FL2 umschaltbar Verschiedene weitere Anzeigeoptionen wählbar

Orbit Referenz auswählen Die Referenzdatei muss mittels Filekatalog geladen werden. Einfachere Lösung ist gewünscht.

5. FLASH2 Undulator Phase - Shifter Slippage: e- und EM-Feld sind im 2. Undulator nicht mehr in Phase Licht legt kürzere Strecke zurück als die Elektronen (vElektron ≈ vLicht) Elektronen werden in der Intersection nicht weiter abgelenkt Undulator Intersection Undulator e- Bahn   EM-Feld slip  

FLASH2 Undulator Phase - Shifter Synchronisation zwischen 2 Undulatoren wird mittels einer Magnet-Schikane in den Intersections realisiert Elektronen werden weiter verzögert und kommen wieder “phasen-richtig” im nächsten Undulator an. Undulator Intersection Undulator e- Bahn Delay Δt EM-Feld

Phase – Shifter: variable-gap vs. fixed-gap Undulator Bei variablen Undulatoren muss das Delay für die jeweilige Wellenlänge (anderes Undulator-K) dynamisch angepasst werden Delay kann durch Setzen des Stroms der Schikanenmagnete variiert werden. Bei FLASH1 (fixed-gap) ist das Delay durch den Abstand der Undulatoren zueinander fest eingestellt FLASH1 Undulator FLASH2 Undulator

FLASH2 Undulator Phase - Shifter Phasenschieber-Ströme werden durch den Undulator-Server gesetzt Einstellung von Δφ für aktivierte Undulatoren gemeinsam Delay (Magnetstrom) wird automatisch an Gapweite (B-Feld) angepasst

FLASH2 Undulator Phase - Shifter Orbit Panel FLASH2 Undulator Sektion Phasenschieber Kontrolle Einstellung von Δφ Ströme sollen durch Undulator-Server gesteuert werden Delay wird automatisch an Gapweite (B-Feld) angepasst.

FLASH2 Undulator Tapering Wellenlänge der Undulatorstrahlung: λs: Photonen Wellenlänge λu: Undulatorperiode e, λu,m und c = const B = Magnetfeld, ändert sich mit der Gapweite γ= Lorentzfaktor -> beinhaltet Energie der Elektronen K = Undulator Parameter Elektronen verlieren Energie im Undulator -> γ ändert sich ! Um λs konstant zu halten (Resonanzbedingung) muss man K ändern -> funktioniert über die Änderung von B ! Änderung von B: Änderung des Gaps Gap-Änderung entlang der Undulatoren: „Tapering“

FLASH2 Undulator Tapering 3 Taper-Gruppen einstellbar linear / quadratisch Tapern Einstellung über Δk/k

FLASH2 Undulator Tapering Strahlungsleistung P in Abhängigkeit der Undulatorlänge z Elektronen Energieverlust in Abhängigkeit der Undulatorlänge z SASE Intensität und Energieverlust der Elektronen sind am Ende der Undulator-Strecke am stärksten (bedingt durch SASE Prozess – dicht an Sättigung) Daher: Tapering der letzten Undulatoren

SFLASH sflash.desy.de http://beschleunigerphysik.desy.de/e62727/e136075/index_ger.html http://www.desy.de/aktuelles/news_suche/index_ger.html?openDirectAnchor=807 https://seeding-wiki.desy.de/Main_Page Ein FEL verwendet einen Elektronenstrahl, um Röntgenstrahlung entlang eines Undulators zu erzeugen. Der stochastische Charakter der spontan abgestrahlten Undulatorstrahlung bedingt die Schuß-zu-Schuß Fluktuationen der spektralen Eigenschaften der FEL-Pulse. Eine Möglichkeit diese Fluktuationen zu verringern, wird durch das so genannte "Seeding" des FEL´s erreicht. Neben der direkten Anregung des FEL-Prozesses durch ein externes Laserfeld ist es möglich, die innere Struktur der Elektronenpakete mittels externer Laser derart zu manipulieren, dass der FEL-Prozess durch diese aufgeprägte Struktur initiiert wird.

6. Feedbacks Welche Feedbacks gibt es bei FLASH? 1. Slow RF Feedbacks 2. Orbit Feedback 3. Intra Bunch Train Beam Arrival Time Feedback (BAM Feedback) 4. Laser 2 Arrival Time Feedback 5. LOLA Phase Feedback

Feedbacks 1. Slow RF Feedbacks Aufgabe: Stabilisierung gegen langsame Drifts (z.B. Temperatur in Halle3, Strahlenergie, HF-Phasen) Monitore: Bunch Compression Monitor (BCM) Energy Server Beam Arrival Time Monitor (BAM) Toroid Aktuatoren: HF Phase -> Kompression HF Amplitude -> Energie HF Amplitude -> Ankunftszeit (slow) Abschwächer Laser1+2+3 -> Ladung Slow RF Feedbacks regeln langsam (nicht innerhalb eines Pulszuges, sondern im Bereich mehrerer Sekunden). Gibt es jeweils für FLASH1 und FLASH2

Slow RF Feedbacks bei FLASH1

Feedbacks 2. Orbit Feedback Aufgabe: Stabilisierung des Orbits Monitor: BPMs (können beliebig ausgewählt werden) Aktuator: Steerer (können beliebig ausgewählt werden) THz Undulator Orbit Feedback gehört zum Orbit Feedback. Hat aber ein eigenes Panel für bessere Bedienbarkeit. Das Orbit Feedback befindet sich noch in der Entwicklung und wird nicht standardmäßig verwendet.

THz Orbit FB Monitor BPMs: Actuator Steerer: 3EXP und 9EXP H1EXP, H3EXP, V1EXP und V2EXP

Feedbacks 3. Beam Arrival Time Feedbacks (BAM Feedbacks) Es gibt zwei Typen: Slow BAM Feedback: siehe slow RF Feedbacks Fast BAM Feedback: Ankunftszeit-Stabilisierung innerhalb des Bunch-Trains Monitor: Beam Arrival-Time Monitor (BAM) Aktuator: HF Amplitude eines Moduls, das sich vor dem verwendeten BAM befindet Das Fast BAM Feedback läuft inzwischen komplett auf u-TCA und wurde erfolgreich getestet. Es gehört momentan noch nicht zum Standardbetrieb. Es wird bei Bedarf durch Experten aufgesetzt.

Revived Beam-Based Feedback Courtesy: LbSync, SDIAG and LLRF team New BAM electronics MTCA.4-based optical frontend readout (OFR) electronics BBF friendly user-run Long term test at FLASH (5x24h) Collected experience for its operation and necessary updates In-loop BAM ~10 fs resolution Performance improvement only by new MTCA electronics & new FW Achieved 14 fs with BBF operation Out-of-loop BAM ~20 fs resolution Old VME standard 22 fs achieved  measurement limited by BAM resolution Preliminary result during the run Analysis time 30s (300 pulses) > 23fs expected w/o BBF 22fs 14fs

Feedbacks 4. Laser 2 Arrival Time Feedback Aufgabe: Stabilisierung des Injektorlaser-Oszillators (PTO) (läuft z.Z. als Matlab-Tool permanent auf FLASHBKR7) Monitor: Optischer Cross-Correlator (OXC) (Messung des zeitlichen Überlapps zwischen Injektorlaser und einem Referenzlaser (Synch-Laser)) Aktuator: Injektorlaser-Oszillator-Phase (1,3GHz) Laser Timing Laser Phase 1,3GHz Laser Oszillator Länge

Feedbacks 5. LOLA Phase Feedback Aufgabe: Regelt die HF Phase von LOLA so nach, dass der e-Bunch auf dem LOLA-Schirm in Position bleibt. Monitor: LOLA-Schirme (13SMATCH / 6SDUMP) Aktuator: LOLA HF-Phase

7. THz Undulator Elektromagnetischer Undulator hinter dem SASE Undulator

THz vs. XUV THz undulator Dump magnet XUV undulators THz XUV Bild: Torsten Golz, Nikola Stojanovic THz Undulator: λ abhängig von EElektron und IMagnet (einstellbar) „schmalbandiges“ Spektrum (10%) Dump-Strahlung: abhängig von EElektron breitbandig (single cycle) SASE undulator THz Undulator Edge-radiation λ 4.1 – 44 nm 0.6 – 300 µm 50 – 300 µm Pulsenergie > 0.5 mJ 1 – 100 µJ 1 – 10 µJ Pulslänge 10 – 100 fs 0.03 – 10 ps 0.3 – 1 ps

THz Experimente „Vorteil“ THz-Strahlung gegenüber XUV: geringere Photonenenergie Anregung mit geringerer Photonenenergie verglichen zu XUV Photonen kann notwendig sein für bestimmte Experimente Pump-Probe-Experimente sind die häufigste Anwendung THz-Pump – XUV-Probe oder XUV-Pump – THz-Pump Aber auch „THz-only“ Experimente haben bereits stattgefunden Frühling, Nature Photonics 3, 523 (2009)  Schütte, Phys. Rev. Lett. 108, 253003, (2012) 2. Clocking molecules & atoms Moshammer (MPI), Moeller (TUB), Drescher (UHH)

Abkuerzungen BAM: Beam arrival time Monitor BCM: Beam compression Monitor BIC: Beam Inhibit concentrator BIS: Beam inhibit system BLM: Beam loss Monitor BPM: Beam Position Monitor BSA: Beam shaping aperture CRISP: THz Spectrometer DAQ: Data Acquisition FSM: Finite State Machine GMD: Gas Monitor Detector LFF: Learning Feed Forward LLRF: Low Level RF LOLA: TDS, benannt nach den Erfindern: Loew, Larsen und Altenmueller LUVA: Lumineszenz Vakuum MPS: Machine Protection System OPIS: Online Photoionization Spectrometer ORS: Optical Replica Synthesizer OTR: Optical Transition Radiation PCO: Kamera Hersteller PCO AG PTO: Pulse Train Oscillator PVS: Partial Vector Sum TDS: Transverse Deflecting Structure THz: Tera Hertz YAG: Yttrium Aluminium Granat

Wuensche und Anmerkungen Regelmäßige Treffen um Neuerungen zu besprechen. Was ist neu? Was steht an ? Vorstellung neuer Panels Schöne wäre ein Schnellkursus für PETRA-orientierte Schichtleiter. Was der Schichtleiter so können sollte. Eine HERA Bibel für FLASH ? Vielleicht wäre es möglich eine unregelmäßig stattfindende Frage- und Antwortstunde einzurichten, wenn sich genügend Fragen gesammelt haben.

Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit.