Plan Historique du rayonnement synchrotron Figures de m érite Accroissement des performances

1. Revue et perspectives des sources de rayonnement synchrotron en France et dans le mondeA. Ropert, ESRF, Grenoble Plan • Historique du rayonnement synchrotron • Figures de mérite • Accroissement des performances • Réduction d’émittance • Augmentation du courant • Eléments d’insertion • Qualité du faisceau • Conclusions

2. Utilisation parasite des synchrotrons de physique des hautes énergies • Anneaux basés sur l’utilisation • d’aimants d’insertion • Très petites tailles de faisceau Le rayonnement synchrotron dans le monde (1) • 1947: Première observation • 1950-1960: 1ere génération d’anneaux de stockage • Années 70: 2eme génération Premiers anneaux dédiés • Années 90: 3eme génération

3. SOLEIL ESRF Le rayonnement synchrotron dans le monde (2) 50 sources en opération 11 en construction 10 en projet

4. rayons X durs ultraviolet et rayons X mous rayons X durs grâce au développement de la technologie des aimants d’insertion Le rayonnement synchrotron dans le monde (3) L’énergie des anneaux de stockage est liée au domaine spectral à couvrir

5. Intensité du faisceau stocké Emittance des photons Elément d’insertion Figures de mérite des sources de 3eme génération • Brilliance • Qualité de faisceau: Stabilité en position • Durée de vie • Fiabilité

6. ESRF SOLEIL Brilliance

7. x Double Bend Achromat Réduction de l’émittance (1) 2eme génération: x ~ 100 nm 3eme génération: x ~ 1 - 10 nm Emittance ultime: x ~ / 4 à 1 Å)

8. Réduction de l’émittance (2) • Réduction de l’angle de déviation par dipole • Dipoles à champ magnétique variable le long de la trajectoire des particules • Utilisation de ’damping wigglers’ • Etudes en cours à l’ESRF • Anneau de 844 m en remplacement de l’anneau existant donnant une emittance de 1 nm • Anneau de 1400 m avec une émittance de 0.2 nm

9. Forts sextupoles de chromaticité Petite ouverture dynamique Faible dispersion dans les dipoles Injecteur à petite émittance Faible émittance Grand nombre d’aimants Large circonférence Gradients élevés Plus grande stabilité en position Prix élevé Réduction de l’entrefer Augmentation de l’impédance Conception des chambres à vide Feedback compliqué Challenges induits par une très petite émittance

10. Augmentation du courant (1) Exemple de l’ESRF 1992 100 mA 1996 200 mA 2008 300 mA ? 500 mA

11. ALS Augmentation du courant (2) Limitations Charge thermique sur l’anneau (chambres à vide, absorbeurs) et sur les lignes de lumière Instabilités multipaquet induites par les modes d’ordre supérieur des cavités

12. Technologie des cavités supraconductrices Cavités « chaudes » avec amortissement des HOMs Prototype SOLEIL dans le tunnel de l’ ESRF Prototype de la cavité européenne à DELTA Augmentation du courant (3) Solutions Utiliser des cavités RF exemptes de HOMs Utiliser des systèmes de feedback

13. Brilliance élevée onduleurs plutôt que wigglers ESRF 60 onduleurs, 8 wigglers SOLEIL 26 onduleurs, 1 wiggler Energies de photons élevées utilisation d’harmoniques élevés ‘shimming ’ P. Elleaume Eléments d’insertion (1)

14. Energies de photons élevées réduction de l’entrefer magnétique Aimants dans l’air autour d’une chambre à vide étroite Aimants sous vide 5 mm à l’ESRF ±4 mm Eléments d’insertion (2) Problèmes d’ingiéniérie Technique délicate et onéreuse utilisée massivement par les nouvelles sources à 3 GeV

15. x’ Orbite fermée variable dans le temps Émittance effective x Emittance betatron Tolérances: 10 % de la taille et divergence Gamme du m ou du rad Stabilité en position (1) Tout mouvement du faisceau est préjudiciable pour les lignes de lumière • Sources d’instabilité • Déplacement des chambres à vide pendant la décroissance du courant • Variation de température du tunnel et du hall expérimental • Vibrations du sol amplifiées par les supports d’aimants

16. Feedback ON Feedback OFF ESRF Stabilité en position (2) • Solutions • Optimisation de la conception des supports • Stabilisation de la température à±0.1 °C • Systèmes de feedback en position

17. Réduction de l’entrefer des éléments d’insertion • Augmentation de la diffusion sur le gaz résiduel • Réduction de l’émittance • Augmentation des collisions à l’intérieur du paquet Durée de vie (1) Paramètre crucial pour les performances Durée de vie courte: réduction de la brilliance intégrée charge thermique non constante Forte dépendance avec l’énergie SOLEIL (2.75 GeV):  = 15 h à 500 mA ESRF (6 GeV):  = 80 h à 200 mA

18. Topping-up opération à l’APS Durée de vie (2) Solution adoptée par de nombreuses machines: le “topping-up” Objectif: maintenir le courant stocké constant en effectuant des injections fréquentes

19. ESRF Fiabilité La plus élevée possible !!

20. Conclusions Avenir brillant pour le rayonnement synchrotron • Rôle croissant de l’utilisation du rayonnement synchrotron dans de nombreux domaines biologie, médecine, chimie, physique, applications technologiques… • Nombreux projets de sources d’énergie intermédiaire • Développements nouveaux comme le ‘femtoslicing’ • SASE FELs