Radiation Source ELBE - Status and SRF gun activities - Peter Michel p.michel@fz-rossendorf.de Forschungszentrum Rossendorf Zentralabteilung Strahlungsquelle ELBE PF 510119, 01314 Dresden Germany Strahlungsquelle ELBE Dr. Peter Michel Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft
Outline • ELBE@FZ- Rossendorf • ELBE - LI NAC • Secondary radiation generation & associated research program • superconducting- rf - f oto gun f or ELBE Strahlungsquelle ELBE Dr. Peter Michel Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft
The Radiat ion Source ELBE at Resear ch Cent er Rossendorf (FZR) • I on Beam Physics and Material Research • Bioanorganics and Radiopharmaceutical Chemistry • Nuclear and Hadron Physics • Saf ety Research • Radiochemistry Radiation Source ELBE Strahlungsquelle ELBE Dr. Peter Michel Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft
Radiation Source ELBE superconduct ing Elect ron Linac of high Brilliance and low Emit t ance γ - radiation 0 – 20 MeV nuclear phys. cave X- rays 10 – 100 keV radiat ion phys. cave Electrons 40 MeV I R- radiation 5 – 150 (200) µm FEL cave 1 mA cw neutrons 0 – 30 MeV neut ron phys. cave positrons 0 – 30 keV posit ron cave (EPOS) Strahlungsquelle ELBE Dr. Peter Michel Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft
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Electron source and injection Puls structure of electron beam Thermionic gun 0- 1 s anode pulsed grid e-beam 1 00 µ µ s-36ms µ µ heater 1 - 1 0ps cathode 4ns-80 µ µ µ s µ 250 kV Strahlungsquelle ELBE Dr. Peter Michel Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft
ELBE Cryomodule Strahlungsquelle ELBE Dr. Peter Michel Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft
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Beam lines & Diagnostics & Others DN 40 UHV + ion getter pumps (< 10 -9 mbar) • vacuum system • magnets DANFYSIK dipole/quadrupol (< 80 MeV electrons) OTR → digital frame grabber → online imaging/evaluation • beam viewer • emittance measurement pepperpot mask / automated quadrupol scan • online beam position stripline detectors • bunch length MP interferometer, Golay cells for BL optimization • beam loss long ionization chambers (machine protection) current difference monitors • dumps radiation cooled graphite (50 kW) + steel/concrete/water shielding • control system PC based , Simatic-PLC/WINCC Strahlungsquelle ELBE Dr. Peter Michel Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft
Beam position monitoring Compact version of Beam Position Monitor Position resolution • strip length 40 mm • total length 85 mm c L ⋅ 4 f 0 Strahlungsquelle ELBE Dr. Peter Michel Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft
Beam loss interlock & monitoring 20...40 MeV electrons ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ range 1 ,5..4 cm in stainless steel − λ = t T T c e dT S = − λ − c I ( t ) ( T T ) ⋅ e RT dt c m ⋅ ⋅ T c m = M t ⋅ crit S I c e S c = 20MeV I e = 1 mA t crit ~ 2 ms c = 450J/Kg K m= ∆ ∆ ∆ V ς ∆ ς = 63mg (d beam = 1 mm, r= 1 0mm) ς ς T M = 1 400 °C ⇒ How to measure ? long ionisat ion chambers (LI C) γ γ γ γ e - Gas BLM-Signal HV Strahlungsquelle ELBE Dr. Peter Michel Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft
Beam loss det ect or Strahlungsquelle ELBE Dr. Peter Michel Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft
1 .5 Bunch length measurement Amplitude, V 1 e - 0.5 The Martin-Puplett Interferometer 0 0.5 ( polarizing Michelson interferometer ) 1 3 2 1 0 1 2 3 mirror position, mm L B CTR Strahlungsquelle ELBE Dr. Peter Michel Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft
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Electron beam parameters of ELBE maximum beam energy 20 MeV 40 MeV maximum bunch charge 77 pC maximum beam current 0.85 mA Channeling FEL operation at 1 pC at 77pC energy spread 35 keV 55 keV ∆ E (FWHM) ∆ ∆ ∆ transverse emittance ε ε ε ε RMS 2 mm mrad 12 mm mrad < 0.5 needed σ RMS σ σ σ >3ps 1 ps bunch length Strahlungsquelle ELBE Dr. Peter Michel Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft
Transverse emittance of the ELBE electron beam 16 13 MHz (no aperture) 14 260 MHz (no aperture) ε trans / mm mrad (rms) 260 MHz (3mm-aperture,90 % cut) simulation of gun emittance 12 10 100 µ A @ 260 MHz (Radiation Physics) 8 1mA @ 13 MHz (FEL) 6 ε ε ε 4 2 0 1E-3 0.01 0.1 1 10 100 bunch charge / pC Strahlungsquelle ELBE Dr. Peter Michel Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft
Secondary radiation generation & associated research program Bremsst rahlung e γ nuclear physics cave nuclear physics cave User operat ion st art s 1/ 2003 Strahlungsquelle ELBE Dr. Peter Michel Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft
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Nuclear spectroscopy at ELBE γ γ -beam γ γ γ MeV - 1 s - 1 ~ 1 0 7 γ γ γ ~ 1 0 -5 sr 25 µ µ µ µ m Al folie Ε, Γ, J ,π precise and systematic investigation of the structure of stable nuclei γ 1 γ γ 0 → → → → excitation energy E • Energy → → with G → → • Intensity → → → → spin J • Angular distribution → → → → parity p • Polarization Strahlungsquelle ELBE Dr. Peter Michel Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft
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X- rays at ELBE X-ray‘s ~ 1 0- 1 00 keV ~ 1 0 11 s - 1 • Investigation of elementary processes of radiation damage in living cells • Measurement of relative biological effectiveness of photons DNA • Material science: Time resolved melting and solidification processes, visualizing phase transitions and flow phenomena in liquid metals User operation starts 10/2003 Strahlungsquelle ELBE Dr. Peter Michel Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft
Channeling Radiation Planar (1,1,0) 17 MeV Strahlungsquelle ELBE Dr. Peter Michel Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft
Dose limit s f or diagnost ics ? Paramet er f or an ef f ect ive t herapie ? Strahlungsquelle ELBE Dr. Peter Michel Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft
I nf rared f rom Free Electron Lasers Free Electron Laser (FEL) 40W λ U λ λ λ 27.3 mm 5 – 25 µ µ m (FEL U27) µ µ ~ 5 µ µ µ J per pulse µ N U 2x34 1 W ~ 1 ps K rms 0.3 – 0.8 We are ready for lasing …. First Lasing: 7. May 19:39 ~ 1.5 W @ 19,8 µm Strahlungsquelle ELBE Dr. Peter Michel Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft
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~ 0.8 ps Strahlungsquelle ELBE Dr. Peter Michel Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft
Spontaneous radiation Log book 4.5.2004 Strahlungsquelle ELBE Dr. Peter Michel Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft
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Experiments with I R f rom FEL Pulse-stacking cavity ring-down measurements IR near-field microscopy and spectroscopy Pump-probe experiments in the sub-ps regime IR investigations of semiconductor and quantum structures IR spectroscopy of complex molecules Surface studies and modifications Medical and biomedical investigations Infrared microspectrometry of environmental samples (Radiochemistry) Strahlungsquelle ELBE Dr. Peter Michel Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft
High Magnetic Fields & ELBE ELBE Radiation Source HLD High Field Lab Dresden High Field Lab 60 T @ 1000 ms 70 T @ 100 ms 100 T @ 10 ms Combinat ion of ELBE FEL (3 …150 µ m) and High Magnet ic Field Lab I R spect rosokopie at high magnet ic f ields 2 µ B · 100 T » h·c / 100 µ m Strahlungsquelle ELBE Dr. Peter Michel Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft
Plans f or longer wavelength FEL (20- 200µm) max K rms = 0.78 (U27) 50 200 1.3 (U80) 100 100 -1 ] U80 200 50 wavenumber [cm λ 1 [ µ m] 500 20 10 1000 2000 5 U27 min K rms = 0.3 2 5000 10 15 20 25 30 35 40 kin E e [MeV] λ λ u [cm] λ λ max N u K rms 40 max K rms = 0.78 (U27) 15 µ m 50 200 35 1.67 (U100) U80 8 30 1.3 20 µ m 100 100 U100 30 µ m -1 ] 30 50 200 wavenumber [cm λ 1 [ µ m] e [MeV] 50 µ m 25 70 µ m 500 20 U100 10 24 1.7 kin 100 µ m 10 1000 20 E 150 µ m 200 µ m 5 2000 15 U min 2 K rms = 0.3 7 300 µ m U120 12 20 2 2 5000 10 10 15 20 25 30 35 40 0,5 1,0 1,5 2,0 kin E e [MeV] K rms max K rms = 0.78(U27) 50 200 2.0 (U120) Wave guide needed ! 100 100 U -1 ] 1 200 50 2 wavenumber [cm 0 λ 1 [ µ m] 20 500 10 1000 2000 5 U27 min K rms = 0.3 2 5000 10 15 20 25 30 35 40 kin E e [MeV] Strahlungsquelle ELBE Dr. Peter Michel Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft
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