Schichtgängerausbildung FLASH Tutorium 13-Nov-2007 FLASH. Siegfried Schreiber, DESY

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1 Schichtgängerausbildung FLASH Tutorium 13-Nov-2007 FLASH Siegfried Schreiber, DESY FLASH Free Electron Laser User Facility Übersicht Einige Komponenten im Detail Zusammenfassung

2 DESY FLASH

3 TESLA Test Facility, FLASH Injektor + Beschleunigung + Bunch-Kompression Tunnel mit Beschleunigung + Undulatoren Experimentierhalle Erstes Lasing 108 nm Feb nm in Jan nm in Apr nm Okt-2007

4 SASE Höhepunkte

5 Vom ersten Lasen bei 13 nm zur Sättigung April 26, 2006 <E> = 5 µj <E> = 70 µj August 20, 2006

6 SASE Performance Sättigung 13.7 nm: Mittlere Energie: 70 µj Spitze: 170 µj Pulsdauer: 10 fs Spitzenleistung: >10 GW Brillanz: (6 ± 3) B B=ph/s/mrad 2 /mm 2 /0.1%bw Normal Betriebsparameter: Wellenlänge: nm Mittlere Energie Einzelpulse: µj Pulsdauer: fs Pulsleistung: ~ 3 GW Mittlere Leistung (700 Pulse/s) ~20 mw Divergenz: 90 µrad Spektrale Breite: % Brillanz: ~10 29 B

7 Höhere Harmonische Sättigung: die Strahlung enthält auch ungerade Harmonische 3. Harmonische: 4.6 nm (270 ev), 250 nj, 40 MW (Spitze) 5. Harmonische : 2.7 nm (450 ev), 10 nj, 2 MW (Spitze) 7. Harmonische : 1.9 nm (630 ev) beobachtet

8 Strahlenergie und Wellenlänge Elektronenstrahlenergie (MeV) Lasing bei 6.5 nm 10/2007 Lasing bei 13 nm 4/2006, Sättigung 8/2006 Lasing bei 25 nm 12/2005 Lasing bei 32 nm 1/2005 TTF1 FEL ( ) Erstes SASE im VUV-Bereich Erstes Lasen 2/2001, Sättigung 9/2002 FEL Strahlung gemessenes Beugungsbild eines Doppelspalts FEL Wellenlänge (nm)

1/2005 TTF1 FEL (1999-2002) Erstes SASE im VUV-Bereich Erstes Lasen 2/2001, Sättigung 9/2002 FEL

10 Brillanz

12 Komponenten im Linac

13 FLASH Overview RF gun Diagnostics Accelerating Structures Collimator Undulators Bunch Bunch Laser Compressor Compressor 5 MeV 127 MeV 470 MeV 1000 MeV 260 m Bypass FEL Diagnostics

14 FLASH Übersicht Elektronen- Quelle Diagnostik Beschleunigungsstrukturen Kollimator Undulatoren Bunch Bunch Laser Kompressor Kompressor 5 MeV 127 MeV 470 MeV 1000 MeV 260 m Bypass FEL Diagnostik

Bunch Bunch Laser Kompressor Kompressor 5 MeV

15 Halle 3 - Gebäude 28 FLASH Linac Tunnel Kryoanbau

16 Halle 3 Elektronenquelle RF Gun Tunnel Laser RF-Station Klystron 3 Hallentor Süd Kryoanbau

17 Elektronenquelle: Photoinjektor Elektronenquelle: RF Gun mit laserinduzierter Elektronenemission L-Band 1.3 GHz RF Leistung 3.2 MW 42 MV/m Gradient auf der Kathode gepulst 5 oder 10 Hz RF Pulslänge 100 to 900 µs Laserpulse Kathode e- Strahl

18 Photoinjektor-Laser Lasermaterial Nd:YLF Yttrium-Lithium-Fluorit-Kristall dotiert mit Neodym-Ionen für lange Pulszüge bis zu Hz Zahl und Abstand der Pulse im Pulszug einstellbar Normalerweise: 1 µs oder 1 MHz Mittlere Leistung im Watt Bereich Wellenlänge: 262 nm (UV) Energie der Einzelpulse: einige µj Zweites Lasersystem als Backup In Zusammenarbeit DESY Max-Born-Institute, Berlin

Normalerweise: 1 µs oder 1 MHz Mittlere Leistung im Watt Bereich Wellenlänge: 262 nm (UV) Energie

19 Photoinjektor-Laser Lasermaterial Nd:YLF Yttrium-Lithium-Fluorit-Kristall dotiert mit Neodym-Ionen für lange Pulszüge bis zu Hz Zahl und Abstand der Pulse im Pulszug einstellbar Normalerweise: 1 µs oder 1 MHz Mittlere Leistung im Watt Bereich Wellenlänge: 262 nm (UV) Energie der Einzelpulse: einige µj Zweites Lasersystem als Backup 1 ms In Zusammenarbeit DESY Max-Born-Institute, Berlin

20 Verstärkung der Laserpulse Vorverstärker gepumpt mit Laserdioden über Glasfaser Hauptverstärker gepumpt mit Blitzlampen Laserdioden: 32 W gepulst, 805 nm Verstärkung von 0.3 µj to 6 µj/puls Xe flashlamps Nd:YLF rod, Ø 5 or 7 mm Blitzlampen: preiswert, leistungsstark (50 kw gepulste elektrische Leistung/Laserkopf) Kontrolle des Lampenstroms mit IGPT Schaltern Pulsenergie bis 300 µj (1 MHz), 140 µj (3 MHz) Kleinsignalverstärkung = 20 Maximale Laserleistung 1.2 kw (im Puls), (Tastverhältnis 2%) 5mm Fluoreszenz Profil

3 µj to 6 µj/puls Xe flashlamps Nd:YLF rod, Ø 5 or 7 mm Blitzlampen: preiswert, leistungsstark (50 kw gepulste elektrische

21 Cs 2 Te Kathoden Wichtig: hohe Quanteneffizienz (QE) bei hohen Stromstärken Unsere Wahl: Cs 2 Te (Cäsium-Tellurit) QE = Zahl der Elektronen / Zahl der Photonen Typische Wert: QE = 5 % Die QE sinkt langsam: Lebensdauer etwa 1 bis 2 Monate, manchmal auch länger Austausch der Kathode erforderlich Tausch bei QE< 0.5%

22 Kathodensystem von oben: Hauptkammer mit Aktuatoren und Ventilen Kathodensystem

23 Kathodensystem von oben: Hauptkammer mit Aktuatoren und Ventilen Kathodensystem

24 Kathodensystem von oben: Hauptkammer mit Aktuatoren und Ventilen Kathodensystem

25 Kathodensystem Cs 2 Te müssen immer unter Ultra-Hoch-Vakuum bleiben Kathodenpreparation in Mailand Transport in einer Transport-Vakuumkammer

26 Vakuumpumpen Beispiel RF-Gun: T I Ti-Sublimationspumpen Ionen-Getterpumpen Druckmessung über den Strom der Getterpumpe T T 3GUN I I 2GUN Druck 3 x mbar

27 Halle 3 ACC2/3 Beschleunigungsmodule ACC1 Tunnel RF-Station Klystron 2 Hallentor Süd Kryoanbau

28 Halle 3 - Kryoanbau Beschleunigungsmodule ACC4/5/6 ACC2/3 Tunnel RF-Station Klystron 4 RF-Station Klystron 5 Modulator für Klystron 5 in Halle 2

29 FLASH beschleunigt mit TESLA Technologie

30 Ausbau von Module 5 zur Reparatur

31 Ausbau von Module 5 zur Reparatur

32 Ausbau von Module 5 zur Reparatur

33 Module 6 während der Installation

34 Module 6 während der Installation

35 THALES TH MW Multibeam-Klystron

36 Modulatoren Modulator erzeugt HV-Puls Transformer ~ x10 Klystron ~120 kv, rechteckig, 1.3 ms, 10 Hz

37 Module Performance TTF1 TTF1 TTF1 ACC2 ACC4 ACC5 ACC6 ACC3

38 RF Distribution ACC2/3 measured with beam: 17 MV/m 25 MV/m 16 MV/m 1.1 MW 1.9 MW

39 RF Distribution ACC4/5/6 measured with beam: 20 MV/m 19.4 MV/m 25 MV/m 1.3 MW 1.2 MW 1.9 MW 3.1 MW 3.2 MW 3.2 MW with these data, we now can fine tune the rf distribution

40 On-Crest Energies from RF Measurements Energy gain (MeV) RF Gun ACC1 ACC2 ACC3 ACC4 ACC5 ACC6 before sum after shutdown sum note: off crest with bunch compression, we loose ~ 20 MeV 980 MeV or 6.5 nm RF gun Diagnostics Accelerating Structures Collimator Undulators Bunch Bunch Laser Compressor Compressor 5 MeV 127 MeV 470 MeV 1000 MeV 260 m Bypass FEL Diagnostics

41 Tunnel Kollimatoren, Bypass und Experimente Bypass ACC6 Tunnel Experimente zur Strahldiagnose Kollimatoren

42 Tunnel Undulatoren und Photondiagnostik Tunnel Photondiagnostik Undulatoren

43 Undulatoren Der FEL wird im SASE-Mode betrieben: hohe Verstärkung in einem Durchgang SASE: selbst verstärkende spontane Emission von Photonen 6 Module Gesamtlänge 27.3 m Permanente Magnete NdFeB B=0.48 T, K=1.23 Fester Abstand 12 mm Starke Strahlfokussierung mit externen Quadrupol-Dubletts

44 Strahlungsdosis an den Undulatoren Hohe Strahlung kann die Permanentmagnete verändern Im wesentlichen verursacht durch Dunkelstrom der RF-Gun Interlocksystem schaltet ab, wenn die Dosis sehr hoch wird to guide the eye

45 Experimentierhalle PETRA Tunnel Tunnel Photondiagnostik Experimente

46 FLASH Experimentierhalle BL1 PG2 BL2 BL3 Sichtbarer Laser

47 Gas Monitor Detektor (GMD) Neben dem Schirm und dem MCP die wichtigste Photondiagnose mißt die Energie der FEL-Pulse absolute Kalibration Faraday-Cup Driftbereich 10-5 mbar Faraday-Cup FEL-Strahl German Patent Reference number :

48 Strahlzeitverteilung

49 Strahlzeitverteilung Nutzerperiode 1: 7 6 Run 1 in 2005/2006 mit 119 Tagen Run 2 in 2006/2007 mit 160 Tagen User Experiments User run preparation Nutzerperiode 2: startet Anfang Dez mit 1 langen Run von 203 Tagen Studienwochen: FEL Studien Vorbereitung auf den nächsten Nutzerblock Wochen FEL related Studies User Experiments User run preparation Allgemeine Beschleunigerstudien (XFEL, ILC usw.) FEL related Studies 2 1 Accelerator Studies

50 Strahlzeitverteilung Run 2: May-2006 bis Mar Wochen oder 7728 h Experimente hatten 3840 h Strahlzeit (47 %) davon 2798 h wirklich FEL-Strahl (73%) 28% 13% User Time FEL Studies Accelerator studies Maintenance 12% 47%

51 Strahlzeit Nutzerexperimente ~70 % der Strahlzeit konnten wir Strahl liefern User Run 1 User Run 2 SASE delivery: 69% SASE delivery: 73% Tuning: 14% Tuning: 14% Scheduled off: 4% Downtime: 13% Scheduled off: 4% Downtime: 9%

52 Zeit, die mit Tunen verbraucht wurde Strahl für die Experimente braucht Tuning Meist Tunen zur Verbesserung des FEL-Strahls und Start-Phase nach Wartungstagen oder Ausfällen Ab Run 2, auch Einstellung der Wellenlänge Single/multi /bunch freq. 10% Start-up after maintenance 22% Machine tuning 6% SASE recovery after down 11% User Run 1 User Run 2 Docu 1% SASE tuning (intensity, position) 50% Docu 1% Machine tuning 1% Single/multi/ bunch freq. 6% Wavelength change 17% Start-up after maintenance 19% Exact wavelength 4% Photon beamline 0% SASE tuning (intensity, position) 40% SASE recovery after down 12%

53 Zeitplan

54 jetzt Zeitplan and Meilensteine Mit einem möglichen m 7. Modul: 1.2 GeV Strahlenergie Installation des 3 rd harmonischen Systems 2. Nutzerperiode beginnt 1 GeV Strahlenergie und Lasen bei 6.5 nm Installation Modul 6 Lasen mit langen Pulszügen (>30) Änderung der Wellenlänge nge von Schicht zu Schicht Sättigung bei 13 nm erreicht Erstes Lasen bei 13 nm TTF VUV-FEL ist FLASH

55 Wichtige Projekte Neue Experimente sind in den letzen Monaten installiert IR Undulator, Optical Replica, schnelle Feedback BPMs etc Neues Synchronisationsschema in Entwicklung Master RF-Oszillator mit Faserlasern Synchronisation bis 10 fs möglich Installation einer 3. harmonischen 3.9 GHz Struktur um vor dem 1. Kompressor den Phasenraum zu glätten Installation eines 7. Moduls, Ersatz anderer (?) 1.2 (vielleicht 1.3 GeV) and Lasen bei 4.4 (3.7) nm FEL mit externem Seedlaser Self-seeding 2nd Beamline (?)

56 5-Jun-2007 Official launch of the European X-ray Laser Facility XFEL.

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