Smith-‐Purcell radiaEon as a bunch length diagnosEc

Sep 9, 2015 - Ishiguro and Tako, OpEca Acta (GB) 8 1961 25. Nicolas Delerue, LAL (CNRS). RREPS – St Petersburg -‐ 9th September. 2015. 4 ...
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Smith-­‐Purcell  radia0on  as  a   bunch  length  diagnos0c   Nicolas  Delerue   LAL  (CNRS  and  Université  de  Paris-­‐Sud)     In  collabora0on  with:   -­‐  E-­‐203  (SLAC,  JAI/Oxford,…)   -­‐  Synchrotron  SOLEIL   -­‐  Joint  France-­‐Ukraine  Laboratory  (Kyiv  and   Kharkiv  Na0onal  Universi0es)  

Work  supported  by  seed  funding  from  Université  Paris-­‐Sud,  program  «  A=rac?vité  »     and  by  the  ANR  under  contract  ANR-­‐12-­‐JS05-­‐0003-­‐01.  

Content   •  Introduc0on  to  Smith-­‐Purcell  radia0on   •  Model  dependence  &  Pre-­‐wave/near  field   effects   •  Smith-­‐Purcell  Radia0on  as  a  bunch  length   Monitor   •  E-­‐203   •  SPESO   •  The  future:  single  shot   Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  September  2015    

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Smith-­‐Purcell     radia0on   •  Discovered  experimentally  in   1953  by  Smith  and  Purcell.   •  Electrons  passing  near  a   gra0ng  induce  the  emission   of  (visible)  radia0on.   •  Radia?on  is  dispersed   spectrally.   •  S.J.  Smith  and  E.M.  Purcell,   Phys.  Rev.  92,  pg.  1069,   (1953)   •  300  keV  electrons  to  emit  in   the  visible  wavelengths     (d  =  1.67  um)   •  Theta  is  the  azimuthal  angle.   Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  September   2015    

% "1 λ = $ − cosθ ' n #β & 3  

Explana0on:     dipole  radia0on   •  Smith-­‐Purcell  radia0on  can  be   interpreted  as  the  dipole   radia0on  of  the  current   induced  by  the  beam  in  the   conduc0ng  gra0ng.   •  This  radia0on  then  interfere   construc0vely  with  different   wavelength  propaga0ng  in   different  direc0ons.   Ishiguro  and  Tako,  Op0ca  Acta  (GB)  8  1961  25    

Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  September   2015    

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Explana0on:     EM  field  at  grazing  angle   •  Another  interpreta0on   suggest  that   evanescent  waves   from  the  EM  field   arrive  at  grazing  angle   on  the  gra0ng  and  are   then  diffracted  by  the   gra0ng.   G.  Toraldo  di  Francia,  Nuovo  Cimento,  16  (1960)  61       Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  September   5     G.  T2015   oraldo   di  Francia,  Nuovo  Cimento,  16  (1960)  61  

Understanding  gra0ng  yields   •  The  diffrac0on  by  a  gra0ng  is  very  complicated!   Neither  model  seem  to  fully  take  into  account   the  gra0ng  theory…   •  Anomalies…   •  Polarisa0on…   % "1 λ = $ − cosθ ' n #β &

Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  September   2015    

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Smith-­‐Purcell  models:   comparison   •  Several  developments   of  both  models  since   1960…  (including  by   people  present  at  this   conference).   •  Most  recent  comparison   (mostly  at  low  gamma):   D.V.  Karlovets  and  A.  P.   Potylitsyn   Phys.  Rev.  ST  Accel.  Beams   9,  080701  (2006)     Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  September   2015    

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Model  comparison  at  high  gamma   •  Comparison  at  gamma=200  (SOLEIL  linac)    

•  RDR  predicts  a  more  intense  signal  with  a  larger  drop  at     phi  (polar)  =  0º.   •  Overall  slope  is  similar.  Intensity  within  50%.   Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

LAL  +  Kharkiv  Na0onal  University   RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  Collabora0on   September   8   2015    

Model  comparison  at  high  gamma   •  Comparison  at  gamma=40000  (FACET)    

•  Now  SC  predicts  a  more  intense  signal  with  a  larger  drop  at     phi  (polar)  =  0º!   •  Once  again  overall  slope  is  similar.  Intensity  within  50%.   Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  Collabora0on   September   LAL  +  Kharkiv  Na0onal  University   9   2015    

Model  comparison  at  high  gamma   •  To  discriminate  between  the  models  one  needs  a   good  polar  resolu0on  and/or  good  detectors/ beam  calibra0on.   •  There  is  no  obvious  measurement  that  could  allow   an  easy  discrimina0on  between  the  two  models.   •  Neither  are  available  at  the  moment  at  these   facili4es.   =>  Within  the  experimental  accuracy  available  both   models  predict  compa0ble  single  electron  yield.   Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  September   2015    

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Near  field  (Pre-­‐wave)  effect   •  At  large  wavelength  correc0ons  must  be   applied  to  the  gra0ng  yield  as  the  rays  do  not   perfectly  build  an  interference  pamern:   Near  field  /  pre-­‐wave  effect.   =>  Signal  yield  is  modified   •  Most  advanced  study:  D.V.  Karlovets  and  A.  P.   Potylitsyn,  JETP  Lemers  Vol  84  No  9  (2006).  

Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  September   2015    

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Pre-­‐wave  signal  intensity   Gamma=40000  d=1.5mm    

Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  Collabora0on   September   LAL  +  Kharkiv  Na0onal  University   12   2015    

Pre-­‐wave  signal  intensity   Gamma=40000  d=1.5mm   I/Rˆ2    

Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  Collabora0on   September   LAL  +  Kharkiv  Na0onal  University   13   2015    

Pre-­‐wave  signal  intensity   Gamma=40000  d=1.5mm   I/Rˆ2    

Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  Collabora0on   September   LAL  +  Kharkiv  Na0onal  University   14   2015    

Pre-­‐wave/near  field  correc0ons   comparisons   •  The  E-­‐203  collabora0on  uses  a  different  method  to  calculte  the   correc0ons  but  the  results  are  similar.  

Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  September   15   2015     Collabora0on  LAL  +  Kharkiv  Na0onal  University  

Coherent  SP  radia0on   •  Like  many  other  radia0ve  phenomena  in  EM,  SP  radia0on   can  also  be  coherent  at  wavelengths  sufficiently  longer   than  the  bunch  length  (form  factor).   •  This  means  that  for  sufficiently  short  bunches  the  signal   intensity  is  propor0onal  to  the  square  of  the  beam   charge.   ⎛ dI ⎞ ⎛ dI ⎞ 2 ⎜ ⎟ (Ω, ω ) = ⎜ ⎟ (Ω, ω ) ⋅ [ N e + N e ( N e + 1) | F(ω ) | ] ⎝ dΩdω ⎠ N e ⎝ dΩdω ⎠ sp

Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  September   2015    

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Coherent  SPR  as  a  longitudinal     profile  diagnos0c   •  Because  Coherent  SPR   encodes  the  Fourier   transform  of  the   longitudinal  profile,  it   can  be  used  as  a   diagnos0c.   •  Such  diagnos0c  requires   a  measurement  of  the   SPR  spectrum.   ⎛ dI ⎞ ⎛ dI ⎞ 2 ⎜ ⎟ (Ω, ω ) = ⎜ ⎟ (Ω, ω ) ⋅ [ N e + N e ( N e + 1) | F(ω ) | ] ⎝ dΩdω ⎠ N e ⎝ dΩdω ⎠ sp Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  September   2015    

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Aqer  data  taking:   Profile  reconstruc0on  techniques   ⎛ dI ⎞ ⎛ dI ⎞ 2 ⎜ ⎟ (Ω, ω ) = ⎜ ⎟ (Ω, ω ) ⋅ [ N e + N e ( N e + 1) | F(ω ) | ] ⎝ dΩdω ⎠ N e ⎝ dΩdω ⎠ sp

•  The  measured  signal  is  the  square  of  the  Fourier   transform  of  the  bunch.   •  To  reconstruct  the  profile,  the  phase  of  each   Fourier  components  must  be  recovered.   •  Several  techniques  are  available;  we  rely  mostly   on  Hilbert  or  Kramers  Kronig  phase  recovery   technique.   Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  September   2015    

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Kramers  Kronig     phase  recovery  technique   •  The  Kramers  Kronig  phase   recovery  technique  assumes   2 2 2 G ( ) N |F ( )| e that  the  system  has  the   minimum  phase  difference.   •  The  phase  is  recovered  from   the  rela0on  between  the   G(⇤) = (⇤) exp [i⇥(⇤)] amplitudes  of  the   observables.  

⇤(⌅) =

2⌅ 0

Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

ln [⇥(⌅)/⇥(⌅0 )] d⌅ 2 2 ⌅0 ⌅

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  September   2015    

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Performance  of  the  Hilbert  and  Kramers  Kronig   phase  recovery  techniques   −5

3.5

x 10

Kramers−Kronig Hilbert

3

0.08

∆ FWHM

2.5

χ

2

2 1.5

0.06

0.04

1 0.02

Kramers−Kronig Hilbert

0.5 0 0

•  •  • 

10

20 30 40 Percent of noise in amplitude

50

0 0

10

20 30 40 Percent of noise in amplitude

50

We  simulated  more  than  a  1000  profiles  and  showed  that  the  reconstruc0on   performances  were  acceptable  for  both  Hilbert  and  Kramers  Kronig  methods.   Hilbert  is  faster  and  easier  to  implement  in  Matlab.   IPAC’14  THPME088  /  arXiv.org  1407.0741;  Full  paper  in  prepara0on.  

Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  Collabora0on   September   LAL  +  Kyiv  Na0onal  University  20   2015    

E-­‐203  at  FACET   •  FACET  at  SLAC  is  a  test  facility  offering  access  to   100s  femtoseconds  long  electron  bunches.   •  Electrons  energy  is  22.5  GeV  (gamma=45000)   •  Aim  of  the  E-­‐203  collabora0on:  development  of  a   longitudinal  profile  monitor  in  the  fs  range.  

Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  September   2015    

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Experimental  apparatus  (schema0c)  

Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  September   2015    

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Experimental  apparatus:   gra0ngs  carousel   3  gra0ngs   1  blank  piece  of  aluminium  

Beam  direc0on  

Expected  SP  radia0on  at   FACET   in  the  wavelength  range   10  µm  to  1  mm   A  carousel  can  rotate  and  offer  three  different  gra0ngs  or  one   blank  to  the  beam.  Rota0on  is  controlled  remotely.  

Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  September   2015    

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Detec0on  of  FIR  SP  radia0on   Filters  of  many  varie0es  remove  background  radia0on.  Suitable  filters  for  each  gra0ng   are  moved  in  front  of  silicon  windows       Winston  cones  collect  the  radia0on  toward  the  pyroelectric  detectors  and  provide   addi0onal  filtering   Solid aluminium – absolute background measurement. No filter

~70mm

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Filters for different gratings & orders

Wire  mesh:  117  µm,  175  µm;  Δλ  =  10-­‐20  µm   Wave  guide  array  plates:  175  <  λ  <  1000;     Mylar  based  thin  films:  20  <  λ  <  117;  Δλ  =  few  µm   Silicon  based  thin  films  :    10  <  λ  <  20;  Δλ  =  few  µm   Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  September   2015    

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E-­‐203  Results   •  Paper  with  profile   reconstruc0on   published  in  2014.   •  Further  data  taking   in  2015  to  study  the   polar  distribu0on  of   the  signal  and  its   polarisa0on.   Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  September   2015    

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Posi0on  sensi0vity   •  The  beam-­‐gra0ng  is  an  important  parameter  of  the   measurement  as  the  signal  depends  exponen0ally  on  it.   •  To  improve  the  posi0on  sensi0vity  we  have  added  a  wire-­‐ scanner  to  the  experiment.  

Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  September   2015    

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Polarisa0on   •  We  have  shown  that  the  background   is  not  polarized.   •  We  made  a  preliminary  measurement   of  the  CSP  polariza0on  but  this   measurement  does  not  agree  with   theory.   •  =>  measurement  repeated  in  2015.   •  Very  preliminary  analysis.  

Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  September   2015    

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Polar  distribu0on  of  the  signal  

•  En  2015  we  also  modified  the  E-­‐203  setup  to  measure   the  polar  (phi)  distribu0on  of  the  signal  by  adding  slits   in  front  of  our  detectors.   •  Observa0on  of  a  drop  at  phi=0  at  some  azimuthal   angles  but  not  all.  Detailled  analysis  s0ll  in  progress….  

Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  September   2015    

28  

SPESO   •  To  overcome  the  E-­‐203   limita0ons,  a  Smith-­‐Purcell   test  stand  has  been  installed   at  the  end  of  the  SOLEIL   Linac  (gamma=200).   •  A  5D  robot  can  measure  the   radia0on  emimed  at  different   positon  and  angles.   •  Soon  a  polarisa0on   measurement  system  will  be   added.     Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  September   2015    

29  

SPESO:  first  results   •  Signal  was  difficult  to  find  (bunch  longer  than   expected).   •  We  now  have  a  system  that  can  measure  the  SP  signal.   •  Goal  make  3D  a  map  of  SP  emission  (with  polarisa0on).   •  However  this  will  be  limited  by  the  detectors  (Gunn   diodes).  

Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  September   2015    

30  

The  future:     single  shot?   •  Further  experiments  are   planned  at  SPARC  and  CLIO   (french  Free  Electron  Laser)  to   measure  their  bunch  profile.   •  The  addi0on  of  several   gra0ngs  should  allow  a  larger   wavelength  coverage.   •  We  also  plan  to  study  more  in   detail  the  gra0ng  dependency.  

Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  September   2015    

31  

Outlook   •  Smith-­‐Purcell  radia0on  can  be  used  as  a  bunch   length  diagnos0c.   •  Model  uncertainty  on  the  signal  yield  are   comparable  to  the  (large)  experimental   uncertain0es.   •  R&D  is  in  progress  to  bemer  understand  the   signal  distribu0on.   •  The  ul0mate  aim  would  be  to  use  it  as  a  single   shot  device.   Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  September   2015    

32  

Thank  you!  

Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

RREPS  –  St  Petersburg  -­‐  9th  September   2015    

33  

Gra0ng  effect  

0.8

0.8

current [a.u.]

E−203 Reconstructed time profile Comparison multi−shots all gratings/one grating medium compression sigma= 621fs sigma= 147fs sigma= 500fs sigma= 747fs 1.2 All gratings 50um 1 250um 1500um

current [a.u.]

E−203 Reconstructed time profile Comparison multi−shots all gratings/one grating maximum compression sigma= 221fs sigma= 126fs sigma= 240fs sigma= 157fs 1.2 All gratings 50um 1 250um 1500um

0.6 0.4

0.4 0.2

0.2 0 −1

0.6

−0.5

0

0.5 time [ps]

Nicolas  Delerue,  LAL  (CNRS)  

1

1.5

0 −1

2

−0.5

0

Le  nombre  de  réseau  à  u0liser  dépend  de:   -­‐  La  précision  de  mesure  désirée.   -­‐  La  longueur   paquet   RREPS  –  Sdt  u   Petersburg   -­‐  9a th  mendue.   September   2015    

0.5 time [ps]

1

1.5

2

34