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

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++

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.

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

Emittanz Trans. Phasenraum Ziel - kleine Emittanz

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

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)

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

Photo-Injector Schema Laser RF gun 4 - 5 MeV 130 - 150 MeV bunch compressor Superconducting TESLA module (ACC1) 3rd harmonic cavity diagnostic section 12 MV/m > 20 MV/m Photo-Injektor Teststand in Zeuthen (PITZ)

Photo-Injektor (PITZ)

Photo-Injektor: RF Gun

Superconducting TESLA module (ACC1) Photo-Injektor Laser RF gun 4 - 5 MeV 130 - 150 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

„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

Photo-Injektor Simulationen Laser RF gun 4 - 5 MeV 130 - 150 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

Photo-Injektor Simulationen Laser RF gun 4 - 5 MeV 130 - 150 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:

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 15 - 21 deg RF CSR! tail Dz Dpz head

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

Klassische Elektrodynamik Maxwell-Gleichungen Die Materialgleichungen Lorentz-Kraft Vlasov-Gleichung “Bewegungsgleichung”

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

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

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

Beispiel: Gun-Kavität HF E-Feld (E01-p mode)

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

Magnetostatische Felder PITZ Solenoid (POISSON SUPERFISH Simulation)

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

6D Phasenraum

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

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 mrad @ 1nC

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: Qbunch->Q=1nC(@z=5cm) Emission effects (SC, Schottky) Xrms,Xemit 1 step. Run ASTRA till z=5m

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

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

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 0.50-0.57 mm mrad

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

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

Strahlbasierte Justage des Hauptsolenoids Elektronenstrahl an der Bildschirm DDC Imain=0A Imain=400A elektrische Achse der Kavität ≠ magnetische Achse des Solenoids!

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

Danke für Ihre Aufmerksamkeit!