Kein Folientitel

Eine magnetische Schikane
als Option für den U27 Undulator
Synonyme:
Optisches Klystron
Dispersive Einheit
Wozu?
1.
2.
3.
Phasenanpassung
Gainverstärkung
Interne Compton-Rückstreuung
Welche Parameter?
1.
2.
Räumliche Ausdehnung
Notwendige Feldstärke
Institut für Kern- und Hadronenphysik
/ Strahlungsquelle ELBE
slide 1
Besonderheiten des U27
2 Einheiten mit jeweiligen Endstücken
y
D
z
D
x
x
z
NdFeB magnet
iron pole
Endstücke
Institut für Kern- und Hadronenphysik
/ Strahlungsquelle ELBE
slide 2
Wechselwirkung zwischen Elektron und Welle F  vx Ex ~ cos()
u
 
Ee
1
me c 2

v
1
 1 2
c

u
vx
D
Ex
z
Ist die Resonanzbedingung erfüllt,
so ist die ponderomotive Phase
über den gesamten Undulator konstant.
2
1 K rms

u
2 2
Zwei Undulatoreinheiten
In der zweiten Undulatoreinheit muß die
ponderomotive Phase den gleichen Wert haben
wie in der ersten!
Ponderomotive Phase
( z )   e   wave  ku z  k z   t

k
  [ku  (1   z )k ] dz´   ku 
2

z
z  z (t )
 kz 2
 z    x ( z´) dz´
2 
 2
Elektronenbahn
b
b
a
a
U   ds   dz 
1
dz  x2 ( z )

2a
Ist (z) konstant (oder hat einen konstanten Anteil),
so wird konstant Energie auf das Elektron oder die Welle
übertragen!
Institut für Kern- und Hadronenphysik
/ Strahlungsquelle ELBE

b
2
D  N D (1  K rms
) u
Slippage in Driftstrecke: ND
ND ist Maß für Wirkung der Driftstrecke
slide 3
Experimentelle Verifikation und Computersimulation
(P.Gippner et al. in HH)
By(z) wird gemessen

k
 ( z )   ku 
2

z
e
  x ( z) 
dz´ By ( z´)
 mec
 kz 2
 z    x ( z´) dz´
2 
 2
Computersimulation mit GPT*
100
75
G [%]
50
25
0
-25
-50
-75
0
350
300
300
250
5
250
5
200
4
200
4
150
3
150
3
100
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Krms
0.8
2
D  N D (1  K rms
) u
Institut für Kern- und Hadronenphysik
/ Strahlungsquelle ELBE
0.9
1.0
10
15 20
D [cm]
25
30
35
7
6
D[mm]
D[mm]
350
7
5
6
100
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Krms
0.8
0.9
* © Pulsar Physics, The Netherlands
1.0
2
D  N D (1  K rms
)  u  9.5 mm
slide 4
Zusammenfassung
Bei Änderung des Spaltparameters und damit des Undulatorparameter Krms
muss die Driftstrecke D verändert werden, wobei die Relation
D  N D (1  K
2
rms
) u  const
verursacht durch Randfelder (unabhängig vom Spaltparameter)
einzuhalten ist.
(Elektron wird in der Driftstrecke relativ zur Welle verzögert, damit es am Eingang der zweiten
Undulatoreinheit auf die richtige Phase der Welle trifft.)
Institut für Kern- und Hadronenphysik
/ Strahlungsquelle ELBE
slide 5
Gesteuerte Verzögerung der Elektronen mit Hilfe einer Schikane
Elektronen werden in der Driftstrecke durch Anlegen eines Magnetfeldes auf einen Umweg geschickt
Phasenanpassung durch Steuerung der Magnetfeldstärke
B
Umweg
 
a
  
 
b
b
b
a
a
U   ds   dz 
b
1
dz  x2 ( z )

2a
D
Phasenkohärenz bei:
2
D  2 2 U  N ch (1  K rms
) u
bzw.
D
 U  N ch 
2 2
Institut für Kern- und Hadronenphysik
/ Strahlungsquelle ELBE
Vorteile
•Umweg U kann durch Änderung des Magnetfeldes
kontinuierlich verändert werden
•Keine mechanische Bewegung nötig
slide 6
Mögliche Varianten
chicane
undulator
undulator
B0
B0
B0
•Gleiche Feldstärke, gleicher Strom
•Mittlerer Dipole mit doppelter Länge
(alternativ doppelte Feldstärke)
•Elektronenbahn im Zentrum parallel zur Achse
3-Pole Schikane
l0
lm
2*lm
l1
l1
lm
l0
chicane
undulator
2B0
B0
undulator
2B0
B0
•Gleiche bzw. doppelte Feldstärke
•Alle Pole mit gleicher Länge
•Elektronenbahn mit Neigungswinkel im Zentrum
4-Pole Schikane
lm
l0
Institut für Kern- und Hadronenphysik
/ Strahlungsquelle ELBE
lm
l1
lm
l2
lm
l1
l0
slide 7
Entwurf von P.Gippner
Platz für Flansch
D1
D2
D4
D3
Äquivalente Driftstrecke
Dä 
Vakuumkammer
Dch3
48
2
 eB0 

  1 m (100mT )
 mc 
Gainverstärkung
durch Mikrobunching
G
Dä
G0
Lu 2
21 cm
2
U
x [mm]
1

0
{
177  m  12 * 
108  m  7 * 
57  m  4 * 
{
N ch 
12
7
4

{
62 mrad
49 mrad
35 mrad
-1
400
-2
1720 A*n
1338 A*n
963 A*n
200
200
0
D1
D2
D3
Grel [%]
By [mT]
100
D4
-100
-200
-300
0
-200
- 600 A*n
- 800 A*n
-1000 A*n
-100
-50
0
50
z [mm]
Institut für Kern- und Hadronenphysik
/ Strahlungsquelle ELBE
100
-400
0
Simulation mit GPT
100
200
300
B [mT]
slide 8
400
Schikane für Compton-Rückstreuung

Elektronenstrahl mit doppelter Wiederholrate
Elektronenpuls trift in Resonatormitte
auf zurücklaufenden IR Strahl
Letztere wird in Richtung des e-Strahles gestreut,
Strahlungsenergie wird um einen Faktor 42 erhöht.
U27 resonator
upstream mirror
50
downstream mirror
50
undulator
Strahlrichtung mit Winkel 5 – 8 mrad zur Resonatorachse möglich
dipole
40
dipole
x [mm]
40
30
X-ray
30
20
Dazu wird benötigt: B0  10-20 mT (80-130 A*n)
20
10
10
8 mrad
5 mrad
0
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
0
z [m]
Institut für Kern- und Hadronenphysik
/ Strahlungsquelle ELBE
slide 9
Resümee
Aufgaben einer Schikane
Phasenanpassung
Gainverstärkungung
Compton-Rückstreuung
Institut für Kern- und Hadronenphysik
/ Strahlungsquelle ELBE



slide 10
.
Anforderungen an die Genauigkeit des Magnetfeldes und die Strahlschärfe
Magnetfeld
Elektronenenergie

m c
2
B  24 e  (1  K rms
) u  4 mT ( B0  100 mT )
Dch B0
 e 
2


m c
2
 24  e  (1  K rms
) 3 u 2  4% ( B0  100 mT )

Dch B0
 e 
2
4 mT  0.5 A * n
Simulation mit GPT
Institut für Kern- und Hadronenphysik
/ Strahlungsquelle ELBE
slide 11