Future 7 bend lattice Actuelle DBA lattice Status

Future 7 bend lattice Actuelle DBA lattice Status de l’ESRF J. L. Revol au nom de la Division Accélérateur et Source, ESRF 15 Octobre 2013

European Synchrotron Radiation Facility 10 Hz Booster Synchrotron 200 Me. V Electron Linac Source de lumière de 3ème génération Localisation : Grenoble, France Participants : 19 pays Budget annuel : 100 millions € Personnel : 600 Premiers utilisateurs : 1994 Energie 6. 04 Ge. V Multibunch current 200 m. A Emittance Horizontale 4 nm Emittance Verticale 4 pm • Circonférence de l’anneau de stockage Disponibilité : 98. 83 % => 844 m Temps moyen entre 2 pannes : 77. 7 heures • Optique DBA • 32 sections droites • 42 Lignes de lumière • Plus de 6000 utilisateurs/an • 1800 publications chaque année Moyenne au cours des 4 dernières années (dont 12 aimants de courbure) Roscoff 2013 - Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 2

Performances opérationnelles depuis 2008 Disponibilité de l’Accélarateur de 2008 à 2013 101% 1. 70% 0. 96% 1. 22% 1. 09% 1. 42% 1. 31% 91% 81% En progrès 71% % de disponibilité 61% 51% 98. 30% 99. 04% 98. 91% 98. 78% 98. 58% 98. 69% 41% Record de L’ ESRF 31% > à 98. 6 % ! 21% 1% 2008 2009 2010 2011 2012 2013 Années Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 3

Performances opérationnelles depuis 2008 Temps moyen entre 2 pannes au cours des années 107. 8 100 Record de l’ ESRF 75. 8 80 69. 4 67. 5 64. 5 60. 0 60 Heures En cours 40 Temps moyen par panne 20 1. 1 1. 2 0. 8 0. 7 0. 9 13 20 12 20 11 20 10 20 09 20 20 08 0 Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 4

Performances opérationnelles depuis 2010 MODES DE REMPLISSAGE A L’ESRF EN 2013 Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 5

“The Upgrade Programme” @ Phase I (de 2009 à 2015) Ø 8 nouvelles lignes de lumière ØExtension du hall expérimental ØRénovation de plusieurs lignes de lumière existantes ØEvolution de l’instrumentation scientifique de rayonnement synchrotron Ø Evolution de la source de rayonnement X pour améliorer la disponibilité, la capacité et la brillance @ Phase II (de 2015 à 2019) Travaux de constructions intensifs sur le site Ø 4 nouvelles lignes de lumière ØEvolution de l’instrumentation scientifiques et des installations de support ØAugmenter la brillance et la cohérence de la source mise en oeuvre d’une optique faible émittance horizontale réduite de 4 nm à 150 pm Projet approuvé par le Conseil de l’ESRF en Novembre 2012 L’étude technique de la conception est due pour Juin 2014 Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 6

“Accelerator Upgrade Phase I” • Mise à niveau des électroniques des BPM ü Fait • Amélioration de la stabilité du faisceau ü Fait • Réduction du couplage ü Fait (4 pm) • Allongement à 6 mètres des sections droites ü Fait (4 ) • Ondulateurs Cryogenic sous vide ü Fait (2 CPMUs) • Allongement à 7 mètres des sections droites ü Fait (1) CPMU 7 metre ID 23 Single cell HOM damped cavity • Nouveaux émetteurs RF SSA ü Fait pour le booster • Nouvelles cavités RF ü 3 prototypes en test SSA • Opération en mode Top-up ü Projet en cours • Etudes sur la réduction de l’émittance horizontale üTDS en cours Cellule standard 6 mètres canted ID 16 7 mètres ID 23 Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 7

Nouveau système de correction d’orbite Cell 1 rms 224 libera BPM ID 11 ID 17 Feedback OFF ID 27 Cell 32 8 mn Horizontal OFF • Système unique de DC à 200 Hz • 224 Libera BPMs • 96 correcteurs intégrés dans les sextupoles (jusqu’à 200 Hz) • Nouvelles alimentations • Opération 10 k. Hz • Amélioration de la correction des perturbations d’orbite induites par les changements de gap des onduleurs 2. 5 mm Horizontal ON 0. 9 mm Vertical OFF Vertical ON @ stabilité sub mm régulièrement obtenu en V @ stabilité mm régulièrement obtenu en H Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 8

Allongement à 6 mètres des sections droites 6173 mm ID chamber Pas de changement d’optique • 6 m section no canting Nouvelles chambres à vide • ID 18, ID 14, ID 1, ID 32 ID 31, ID 15 Modification du câblage et de la tuyauterie • ID 24 & ID 20 full 6 m operational with 4 carriages Modification des têtes de lignes pour le canting • 6 m Large Angle canting c c • ID 30 (± 2. 2 mrad ) c c • ID 16 (± 2. 7 mrad ) ID 16 Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 9

Ondulateur cryogénique à aimant permanent Paramètres • Période: 18 mm • Gap: 6 mm • Champ maximum : 1 T • Erreur de phase : 3°RMS • Fonctionnement à 145 K Installés en Janvier 2012 Prochaine étape • Période plus courte (14 mm) • Aimants : Pr. Fe. B à 77 K Gain pour le flux du photon ~ 2 @ 60 ke. V, ~3 au-dessus de 90 ke. V versus un IVU 22 conventionnel Spectre mesuré sur ID 11 (G. Vaughan, J. Wright) Et calculé à partir de mesures magnétiques (J. Chavanne) Support de Joël Chavanne , Gaël Le. Bec Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 10

Emetteurs RF But : Prévenir l’obsolescence des klystrons Préparer les futures mises à jour Booster RF : 4 amplificateurs solid state de 150 k. W en fonction depuis Mars 2012 Mise en service sans difficultés en un temps limité, grande fiabilité pour l’opération. 2 five-cell cavities x 2 couplers 4 Waveguide switches to 4 water loads S Y: Syn Booste chro r tron 75 k. W tower of 128 RF modules Remplace l’émetteur 352. 2 MHz 1. 3 MW à base de klystron du booster SYRF prêt pour le mode Top. Up, (puissance électrique réduite de 1200 à 400 k. W). 3 SSA pour le SR: FAlimente 3 nouvelles cavités HOM damped de L’anneau de stockage: F 1 st SSA alimente 1 cavité en Août 2013 FProchains SSA: Décembre 2013, Mars 2014 150 k. W - 352. 2 MHz amplificateurs à semiconducteurs pour le booster Efficacité: > 55 % à la puissance nominale Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 11

Cavité mono cellule cuivre avec HOM attenués 1 st 1ère cavité livrée par HOM damped cavity Research Instrument (Research Instruments) 2ème cavité livrée par SDMS 3 prototypes livrés : 2 testés individuellement avec le faisceau et maintenant installés en cellule 23 Une en test de puissance RF 3ème cavité livrée par CINEL 14 cavités commandées Nominal 0. 5 MV, Max 0. 75 MV Les cavités 1&2 sont installées en C 23 Validés dans toutes les conditions du faisceau Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 12

Allongement à 7 mètres d’une section droite Two Mono-cell cavities installed in August 2013 Test of mini beta optics during first half of 2013 Opérationnelle en Janvier 2013 Create 2 lower vertical beta points to reduce the in-vacuum undulator gap from 6 to 4 mm Redistribution des cavités RF en vue d’ installer des onduleurs à la place des RF actuelles. Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 13

Projet de fonctionnement en mode Top Up @ La plupart des sources de RS fonctionnent en mode Top Up sauf l’ESRF Pour : Réduit la variation de charge thermique sur les optqies de la ligne de lumière Améliore la stabilité Contre: Augmentation du nombre d’injections Perturbe la stabilité @ Etude comparative de l’opération en “Top-up” à : ESRF/ APS/ SPRing 8/ PETRA/ SOLEIL/ Nominal decay with vertical beam blowup to increase lifetime DIAMOND/ BESSY/ ELETTRA/ ALBA /SLS Le «Top-up » est multi-paramètres => nombreuses différences entre les instituts ! @ L’ESRF à développé une grande d’expertise dans la conception des optiques et pour l’agencement des lignes de lumière afin de gérer la variation de la charge thermique. Le Top. Up sera très bénéfique pour les modes de fonctionnement en structure temporelle qui sont pénalisés par la faible durée de vie. Testé en Septembre 2013 avec les utilisateurs afin de déterminer le débit d’injection optimal. Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 14

“Accelerator Upgrade Phase II” Future 7 bend lattice Present DBA lattice Réduire l’émittance horizontale est une demande récurrente des utilisateurs de l’ESRF… avec la contrainte non négligeable de réutiliser le même tunnel et les mêmes infrastructures. Grâce aux efforts internationaux pour développer des anneaux de stockage ultimes, l’ESRF ré-aborde la question avec les conditions suivantes : • • • Réduire l’émittance d’équilibre horizontale de 4 nm à moins de 200 pm Maintenir les sections droites existantes et surtout les lignes de lumière Maintenir les sources sur les aimants de courbure Préserver le fonctionnement en structure temporelle et un courant nominal de 200 m. A Réutiliser l’injecteur actuel Réutiliser le plus possible le matériel existant Minimiser les pertes d’énergie par rayonnement synchrotron Minimiser les coûts de fonctionnement, principalement la puissance électrique Limiter le temps d’arrêt de la machine pour l’installation et la mise en service (durée totale d’environ 1 an) Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 15

Introduction de la faible émittance de l’optique X Pourquoi l’émittance horizontale est non nulle? Dipole Trajectoire idéale du faisceau d’électrons Support d’A Franchi Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 16

Introduction de la faible émittance de l’optique X Pourquoi l’émittance horizontale est non nulle? Dipole Trajectoire d’un électron qui a émis du rayonnement synchrotron dans le premier dipole (énergie plus basse que l’énergie nominale plus forte déviation) Support d’A Franchi Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 17

Introduction de la faible émittance de l’optique X Pourquoi l’émittance horizontale est non nulle? Dipole Quad Dipole Trajectoire d’un électron qui a émis du rayonnement synchrotron dans le premier dipole (énergie plus basse que l’énergie nominale) Corrigée par les aimants quadrupoles Support d’A Franchi Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 18

Introduction de la faible émittance de l’optique X Pourquoi l’émittance horizontale est non nulle? Dipole Quad Dipole Trajectoire de deux électrons qui ont émis du rayonnement synchrotron (et qui ont une énergie différente) Support d’A Franchi Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 19

Introduction de la faible émittance de l’optique X Pourquoi l’émittance horizontale est non nulle? Dipole Quad Sextu Quad Dipole Trajectoire de deux électrons qui ont émis du rayonnement synchrotron (et qui ont une énergie différente) Corrigée par les aimants sextupoles Support d’A Franchi Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 20

Introduction de la faible émittance de l’optique X 3 électrons entrants à énergie et trajectoire nominale Dipole 1 Dipole 2 Trajectoire après l’émission des photons À la fin de la cellule : Vitesse horizontale non nulle et dispersion en energie Émittance non nulle Support d’A Franchi Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 21

Introduction de la faible émittance de l’optique X Comment réduire l’émittance horizontale ? Dipole 1 Dipole 2 Dipole 3 Plus de dipoles plus faibles, focalisation plus forte, sextupoles plus puissants émittance horizonale plus basse Support d’A Franchi Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 22

Introduction de la faible émittance de l’optique Comment réduire l’émittance horizontale ? X Dipole 1 Dipole 2 Dipole 3 Dipole 4 Dipoles plus faibles, focalisation plus forte, sextupoles plus puissants émittance horizonale plus basse Support d’A Franchi Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 23

L’optique de l’ESRF Emittance basse : Optimization de ebx and x dans les dipoles (ou est genere le rayonnement synchrotron) bx: envelope function x: dispersion Optimisation de la lattice Energie Nombre de dipoles identiques Réduction de l’émittance grand nombre d’aimants de déviation • Augmenter le nombre de cellules circonférence plus large • Mettre plus de dipoles par cellule machine très compacte Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 24

Sources de lumière de faible émittance Performance des anneaux de stockage (sources actuelles et futures) Émittance horizontale • ESRF • PETRA III • NSLS II • MAX IV • Sirius • Spring-8 • ESRF 2 BA 2 BA 7 BA 5 BA 6 BA 7 BA 4000 pm – 6 Ge. V, Opérationnel 1000 pm – 6 Ge. V, Opérationnel ~350 pm – 3 Ge. V, construction ~300 pm – 3 Ge. V, construction ~250 pm – 3 Ge. V, au programme ~70 pm – 6 Ge. V, au programme ~150 pm – 6 Ge. V, au programme Augmentation presque linéaire de la luminosité jusqu’à 50 -100 pm Pour des émittances plus faibles, le gain devient moins linéaire à cause : - de la limite de diffraction - du ‘’’mismatch’ du faisceau d’électrons et du faisceau de rayonnement X Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 25

Tendance des anneaux faible émittance Ou ver t ure plu sp etit e Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 26

Optique faible émittance pour l’ESRF 60 @ 7 aimants de courbure D 1 to 7 Present ESRF lattice Double Bend Achromat Ex = 4 nm. rad réduisent l’émittance horizontale @ L’espace entre D 1 -D 2 and D 6 -D 7 20 β-fonctions et dispersion plus grandes correction de la chormaticité avec des sextupoles plus efficaces Proposed hybrid 7 bend lattice Ex = 150 pm. rad 20 @ Dipoles D 1, D 2, D 6, D 7 champ longitudinalement variable pour réduire encore l’émittance @ Partie centrale alternant: dipole-quadrupoles combinés D 3 -4 -5 quadrupoles á fort champs de focalisation @ D 4 (0. 34 T) and D 5 (0. 85 T) D 1 D 2 D 6 D 3 D 4 D 5 D 7 Point de source pour le faisceau BM (modification du point source) Bleu: Dipoles Rouge: Quadrupoles Vert: sextupoles Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 27

Optique faible émittance pour l’ESRF Proposed hybrid 7 bend lattice Ex = 150 pm. rad @ 2 quadrupoles de chaque côté de la section droite Fourni au centre : bx = 4. 3 m bz= 2. 58 m @ Cellule d’injection spéciale avec un plus grand bx Injection section • Avance de phase totale identique , même configuration sextupole réduire la perte de symétrie de l'optique • 2 kickers avec une avance de phase de π • Pas de sextupole à l’intérieur du ‘’bump’’ d’injection aucune perturbation du faisceau stocké @ Ouverture dynamique proche de la présente optique Permet d’utiliser le même injecteur Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 28

Brillance obtenue avec une faible émittance H x 30 Hor. Emittance [nm] 4 0. 15 Vert. Emittance [pm] 3 2 Energy spread [%] 0. 1 0. 09 bx[m]/bz [m] 37/3 3. 4/2. 8 E = 6. 04 Ge. V I = 200 m. A Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 29

Cohérence obtenue avec une faible émittance H x 30 x 4 Hor. Emittance [nm] 4 0. 15 Vert. Emittance [pm] 3 2 Energy spread [%] 0. 1 0. 09 bx[m]/bz [m] 37/3 6/2 E = 6. 04 Ge. V I = 200 m. A Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 30

Défis technique: le système d’aimants Quadrupoles à gradient élevé 100 Tm-1 • • Spec: 100 T/m x 335 mm Bore radius: 11 mm Longueur mécanique : 360 mm 1 -2 k. W Quadrupoles Environ 60 Tm-1 D 6 D 2 D 1 D 3 D 4 D 7 D 5 Dipole et quadrupoles fonction combinées 0. 85 T / 45 Tm-1 & 0. 34 T / 50 Tm-1 Sextupoles 200 mm 1500 Tm-2 Dipole á aimant permanent (Sm 2 Co 17) gradient longitudinal 0. 16 0. 6 T, gap magnétique de 22 mm 2 mètres de long, 5 modules Avec une petite bobine de reglage de 1% Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 31

Défis technique: le système d’aimants Status de la conception des aimants • Dipole, quadrupole, sextupole et octupole : sont bien avancés • Dipole-quadrupole combinés : en progrès • Réalisation de prototypes en cours Module dipole PM Quadrupole à gradient élevé Octupole Sextupole Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 32

Défis technique: la compacité @ La conception mécanique est très complique a cause de la compaticité seulement 3. 4 mètre de tube de glissement par cellule au lieu des 8 m actuel @ Vide: Faible conductance due á la petite ouverture des chambres Chambres principales en acier inoxydable avec du NEG coating et du pompage localisé Absorbeurs distribué pour collecter le rayonnement produit par les dipoles @ Efficacité énergétique de la source : 30% de réduction de la consommation en puissance du SR Augmentation de l’’efficacité de production du champ magnétique systèmes RF adaptés à la réduction des pertes par tour de 5. 4 à environ 3. 8 Me. V/tour, incluant 0. 5 Me. V ID radiation La nouvelle optique est plus sensible aux instabilités multibunch longitudinales (facteur deux). Utilisation de 14 HOM-damped single-cell cavities développées durant la phase 1. Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 33

Mise en oeuvre Future 7 bend lattice Present DBA lattice @ Extension du hall expérimental pour fournir 2500 m² de capacité de stockage et de préparation @ Démontage et reconstruction de l’anneau de stockage entier pendant environ 9 mois dans 3 zones de travail parallèles + 3 mois de test et de mise en service. Utilisation ensuite du hall pour de futures lignes de lumières et des installations de support. Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 34

Road map Programme : ◊ Nov 2012 - Nov 2014 ◊ Nov 2014 Jan 2015 – Août 2018 ◊ Fin 2016 Août 2018– Août 2019 ◊ Automne 2019 Budget : 100 M€ 10 M€ 20 M€ Rapport préliminaire ü Fait Etude technique détaillée ü TDS en cours Décision du Conseil Conception détaillée et approvisionnement Préparation et disponibilité du bâtiment de stockage Arrêt de la machine pour installation et mise en service Retour opérationnel 9 groupes de travail définis pour le. TDS : WP 1: Dynamique de faisceau WP 2: Aimants WP 3: Transport des éléctrons et photons WP 4: Alimentations WP 5: Radiofréquence WP 6: Mise en œuvre WP 7: Diagnostic et control du faisceau WP 8: Source de photon WP 9: Mise à niveau de l’injecteur Construction et mise en service de la nouvelle optique Extension du hall expérimental Construction de 4 nouvelles lignes de lumière Instrumentation et installations de soutien Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 35

Conclusion Future 7 bend lattice Present DBA lattice Grâce à l’expertise acquise grâce à la phase 1, et aux efforts internationaux pour développer des anneaux de stockage proche de la limite de diffraction, L’ESRF Upgrade Phase II sera une excellente opportunité pour : • Augmenter considérablement la luminosité de notre source de lumière avant 2020 Mais aussi : • Améliorer l’expertise scientifique et techniques des sources de lumière sur anneaux de stockage • Développer de nouvelles technologies • Fournir un important “savoir faire” pour obtenir de meilleures performances pour les futures sources de lumière Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 36

Future 7 bend lattice Present DBA lattice Merci pour votre attention Roscoff 2013 -Status de l'ESRF- Revol JL, 15 Octobre, 2013 37