Demonstrateur FEA/DLA03/04/2017
Draft 2.0
Author={babigeon, Jluc},year={2017},
SOURCE e- COMPACTEDEFINITION D'UN PROTOCOLE EXPERIMENTAL
PHOTOCATHODE EN REGIME PHOTOFIELD, ASSOCIEE A UN ACCELERATEUR DIELECTRIQUE
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Table of ContentsI. I.BUT DU DEMONSTRATEUR......................................................................................................3II. II.PERFORMANCES DES SOUS-ENSEMBLES..........................................................................5III. III.SCHEMA D'EXPERIENCE......................................................................................................6IV. IV.DECOMPOSITION DES EQUIPEMENTS..............................................................................7
Décomposition.................................................................................................................................7Références des équipements............................................................................................................7
V. V.GENERATEUR D'IMPULSIONS SUBNANOSECONDES.......................................................9VI. VI.LOADLOCK ET CANON A ELECTRONS..........................................................................12VII. VII.PHOTO-CATHODE.............................................................................................................12VIII. VIII.CHAMBRE A VIDE ET TECHNIQUE DE VIDE...........................................................13IX. IX.LE POSITIONNEMENT DU DLA FACE A LA PHOTO-CATHODE.................................14X. X.LES MESURES.........................................................................................................................16
Courant Schottky...........................................................................................................................16Forme d'onde du courant de sortie fs après DLA..........................................................................16Charge intégrée..............................................................................................................................16Longueur de cohérence de la source et meusre d'émittance transverse.........................................16Spectromètre pour l'énergie moyenne et la dispersion chromatique.............................................16
XI. XI.ANNEXE : ARGUMENTAIRE SCIENTIFIQUE..................................................................20Evolution du champ électromagnétique au voisinage d'une pointe...............................................20Vérification des espacements entre pointes du FEA.....................................................................20Analyse ab initio des technologies de photo-cathode....................................................................20Evaluation de l'explosion Coulombienne dans un canon à pervéance naturelle et confirmation du choix sans optique..........................................................................................................................20
XII. LES PLANS B............................................................................................................................21La photo-cathode...........................................................................................................................21La source électrique pulsée............................................................................................................21Le réseau DLA...............................................................................................................................21
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I. BUT DU DEMONSTRATEUR
démontrer la faisabilité d'un (multi-)étage DLA pour l'accélération de e- non relativiste, dans la perspective d'une future source 0-1MeV.
Les acquis sont les suivants :
- on peut mesurer un gain d'énergie réel du paquet e- au travers d'un étage d'accélérateur diélectrique, et on sait le quantifier, aussi bien par la mesure que par le calcul théorique et la simulation,
- l'accélération apportée par un étage diélectrique dans la gamme d'énergie au-delà du MeV est démontrée, et relativement accessible au niveau conception,
- les spectres d'énergie, la taille faisceau, sont expérimentalement mesurables dans tous les cas
- la proposition actuelle -sans concertation avec l'auteur- se trouve globalement en phase avec une description récente (Mcneur, A miniaturized electron source based on dielectric laser accelerator operation at higher spatialharmonics and a nanotip photoemitter, 2016)
L'objet de ce démonstrateur est d'apporter le complément à un accélérateur in-chip, c'est-à-dire la partie non relativiste.
. Les difficultés à résoudre sont aujourd'hui les suivantes:
a- comment fournir un paquet d'électrons d'émittance transverse et longitudinale convenable en entrée du premier étage d'accélérateur diélectrique ?b- comment accélérer ce paquet à partir de 10keV, tout en préservant sa qualité globale ?c- comment mesurer de façon précise, les caractéristiques du paquet, notamment l'émittance ?d- comment associer au DLA, la sortie d'une source d'électrons que nous utilisons pour les applications accélérateurs?
L'objectif à moyen terme est de construire progressivement la source in-chip passant de 10keV à 1MeV. L'étape de ce document concerne un étage dans la gamme 10keV-100keV
Ce document passe en revue les points pratiques pour élaborer une telle expérience et analyse la faisabilité globale du projet.
Néanmoins les aspects théoriques, notamment les difficultés a) à d) font l'objet d'évaluations et de simulations en cours, supplémentaires aux références existantes et seront esquissés en annexe 1 (document scientifique, rédaction réservée) et dans la bibliographie.
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II. PERFORMANCES DES SOUS-ENSEMBLES
En gras : confirméEn italique : à confirmer
A noter néanmoins que la puissance demandée est relative à 1 seul faisceau d'injection dans le DLA.Elle correspond à 1 champ électrique de 2GV/m pour l'accélération.
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LASER DLA
longueur d'onde 800nmwaist 1mmx1mmForme d'onde Gauss, sigma < 50fsconfiguration (voir figure) 2 faisceaux Energie 500nJPuissance crete 4.2MWFréquence répétition 1MHz-80MHzsynchronisation avec la photocathode
ELECTRONS
Diamètre faisceau <400nmlongueur paquet 50fs Energie 10keVdispersion en énergie <1%divergence TBDdistance aux corrugations 100<d<200nmcharge d'un paquet 10fC à 0,1pC
DLA
type Réseaumatériau Siliciumpas moyen (ordre de grandeur) 1µmpas ChirpFonction du chirp à définir, en lien avec chirp laserhauteur des piliers à définirinjection laser En transmissionLongueur totale 1mmDéfaut d'alignement 30nmpositionnement piézo
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III. SCHEMA D'EXPERIENCE
SCHEMA DU MONTAGE
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LASER PHOTOCATHODE
Longueurs d'onde moyenne 800nm 200nmchirp en longueur d'onde à définirEnergie 10nJPuissance creteForme d'onde Gauss, sigma ≤ 50fsFréquence répétition 1MHz-80MHztache focale sur photocathode 500µm
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IV. DECOMPOSITION DES EQUIPEMENTS
Décomposition
Références des équipementsPiézo-électrique
http://www.smaract.com/products/linear-positioners/slc-series/slc-1720
Smaract SLC-17 (z-direction) and a Smaract SR-1908(rotation in xz-plane)
Newport 9066 with Picomotor TM actuators (Breuer)
Objectif de microscope : Mitutoyo, M Plan NIR 10x
Lentille de focalisation laser pour DLA : Edmund Optics, NT45-827 et NT 45806 (f=100mm, NIR II)
Lentille plan-convexe : Edmund optics 69-751, (fy 100mm, NIR I)
écran MCP : MCP (Photonis, Advanced Performance Long-Life TM)
Te de polarisation pour MCP: bias tee Pi-cosecond 5530B
Photo-diode à avalanche de synchronisation d'arrivée des impulsions laser :
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DECOMPOSITION
REPERE ITEM Fabricant/modèle http
1 sortie triphasée 10A Lal/Dacc2 Générateur subnanoseconde Lal/Dacc3 Loadlock Lal/Dacc4 canon coaxial Lal/Dacc5 laser photocathode Lal/Laserix6 LaserDLA Lal/Laserix7 Photo-cathode IEF8 DLA IEF9 piézo électrique SMARACT 1710 spectrometre Einzel+30kVDC Lal/Dacc11 caméra CCD12 camera CCD associée à écran phosphore Thorlabs
Lal/Laserix ?
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amplificateur Miteqscanning electron microscope (SEM) column (Hitachi S-570) (plan B)
AM-1299 (note: à voir si on peut le fabriquer en interne)
discriminateur : LeCroy Model 821
convertisseur temps – numérique : Surface Concept SC-TDC-1000/02 D
alimentation HT continue 20kV faible courant pour lentille ES (fabrication en interne?)
Laser DLA (Ti:Sapphire oscillateur) : Spectra physics element 100 http://www.spectra-physics.com/products/ultrafast-lasers/element#3
Les parties suivantes du document décrivent les sous-ensembles de gauche à droite du schéma, en commençant par la source électrique.
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V. GENERATEUR D'IMPULSIONS SUBNANOSECONDESCe générateur permet l'émission électronique dite ''photofield emission'', ou photo-émission assistée par le champ 1, ou laser induced emission from field emitters…Le schéma temporel de l'émission est le suivant :
Les électrons sont émis par l'impulsion laser sur la partie négative de l'impulsion haute tension, cette dernière sera -probablement- oscillatoire amortie. Nous envisageons d'agir sur l'amortissement, soit comme sur la figure, soit dans une perspective Burst (amortissement faible). L'emploi d'une cathode pulsée apporte plusieurs avantages par rapport aux canons dits ''pulsed DC».Dans ces derniers on superpose l'impulsion laser à une tension haute tension continue négative.
Ces avantages sont décrits par [babigeon1]. L'emploi d'impulsions subnanoseconde permet de repousser les limites en distances d'isolation dans le canon miniature, apporte une protection de la cathode contre le bombardement ionique, et abaisse le potentiel d'extraction (Work Function). L'énergie des paquets d'électrons, 10keV est fixé par la tension crête cathode-anode, ici 10kV.
1 Dénomination de l'auteur
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L'oscillateur laser ayant une période de 13ns (78MHz), 2 difficultés interviennent :
- la période du générateur sera dans un premier temps de l'ordre de 10Hz, donc il est nécessaire de sélectionner une impulsion parmi 100ms/13ns = 7692307,692307692,- l'impulsion laser doit coïncider avec le maximum de l'impulsion électrique, ou plus généralement avoir une phase bien définie avec elle.
La sélection de 1/N est possible par électronique. La synchronisation sera assurée dans la limite des précisions actuellement obtenues au Lal, c'est-à-dire quelques picosecondes. On constate que cette précision serait suffisante par rapport à la demi-période de 500ps de l'impulsion électrique.
Néanmoins il reste à aligner précisément l'impulsion électrique elle-même. Ce travail doit être réalisé sur le générateur, en intervenant à deux niveaux :
- sur la gestion des courants dans la diode DSRD,- sur la synchronisation du circuit principal à Mosfets. Une amélioration possible sera alors de disposer de transistors optiques.
Notons que l'énergie 10keV est une donnée provisoire, provenant d'un compromis entre une énergie de sortie, une fréquence de récurrence élevées et des pertes thermiques acceptables du générateur et de la photo-cathode. Le générateur est actuellement conçu pour 10kV maximum. Les réalisations connues montrent que dans la gamme très haute tension, les fréquences de récurrence ne dépassent pas actuellement le kHz.
Une autre question, actuellement étudiée, est l'adaptation du générateur à sa charge, c'est-à-dire la photo-cathode.
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VI. LOADLOCK ET CANON A ELECTRONSLe Loadlock, ou cellule cathode2, est un dispositif employé pour les essais de différentes cathodes, lorsqu'il est souhaitable d'opérer sans rompre le vide à leur niveau. Les cathodes à FEA devraient dans le futur, accepter des contraintes de vide relâchées, mais il est impossible à ce stade, de prédireleur performance en environnement. Un loadlock a été étudié au Lal et sera compatible de la connexion au générateur haute tension, sans rupture du vide. Son plan est donné par [Rudnyckyij]
Le loadlock inclut un canon miniature coaxial, dont les caractéristiques sont décrites brièvement parcette référence3. En réalité, une question à l'étude, est l'emploi de focalisation supplémentaire -ou non- entre canon et DLA. L'hypothèse est que la pervéance naturelle du canon, jointe aux très faibles charges émises, et à la proximité du DLA, devraient nous éviter un dispositif d'optique électronique supplémentaire.
Il est à noter que la partie canon est dépassante dans l'enceinte à vide, de l'ordre de 1 cm.
VII. PHOTO-CATHODE
Celle-ci est logée sur une pastille de 2 mm de diamètre, sa dimension est de 2mm en largeur, et nonspécifiée en hauteur. 2 technologies de cathodes seront testées :
- Une cathode dite de référence, cathode de spindt à pointes Molybdène ou Tungstène,- Une cathode à nanotubes de carbone.
Dans les 2 cas, il s'agit d'un FEA (Field Emission Array), linéaire, c'est-à-dire que les pointes émettrices sont toutes situées sur une ligne. La géométrie est donc uni-dimensionnelle et génère un faisceau plat, de telle sorte que l'émittance sera minimale dans une direction. La description sommaire en est donnée par [babigeon2]
La fabrication de telles cathodes met en jeu des procédés de microélectronique, pour cela un projet a été déposé à l'IEF. La collaboration de laboratoires extérieurs, voire la sous-traitance à des société industrielles pour des échantillons sera recherchée en parallèle.
Le plan d'ensemble de la version coaxiale actuelle est donné par la référence [ibid_babigeon2]
2 Terme de l'auteur3 Description plus détaillée à paraître
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Le couplage du laser est procuré par des ouvertures du canon comme indiqué sur la figure.
VIII. CHAMBRE A VIDE ET TECHNIQUE DE VIDE
La chambre à vide est de type ***, ses dimensions sont 20x20x20cm3. Le DLA est logé contre l'extrémité du canon, dans la chambre à vide et les faisceaux laser sont verticaux. Le schéma de principe est donné par la figure ci-après
La puissance évaluée nécessaire correspond à celle de l'oscillateur laser, aussi bien pour le FEA que le DLA. Il est donc nécessaire de diviser le faisceau en 2 et de tabler sur des résultats à P/2.
Que se passe-t-il à P/2?
Côté DLA l'accélération est proportionnelle à la puissance laser, donc nous pouvons espérer des résultats sortant du bruit. Côté FEA (photo-cathode), le mécanisme d'émission est fortement non linéaire, nous passons d'une densité de courant à P, de 43µA à 48nA pour P/2. Cela s'explique car nous sommes, dans l'effet Schottky, au seuil de l'émission par le champ.
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Il y a 3 solutions à ce problème:
- disposer d'un oscillateur supplémentaire, ou d'un amplificateur 3dB,- augmenter le rendement des pointes.- augmenter la puissance par focalisation.
La première solution – disposer d'un oscillateur supplémentaire- est onéreuse. Si on augmente le rendement des pointes, il faut éviter d'entrer dans le régime d'émission de champ proprement dit. Cerégime très performant ne convient probablement pas aux applications accélérateur, pour des raisons de thermique.
Il reste possible un amplificateur supplémentaire 3dB ou examiner la focalisation.
Or les caractéristiques de l'oscillateur sont données pour une dimension focale de 2mm cylindrique, et nous avons besoin d'une focalisation sur 2 mm horizontale, mais beaucoup plus faible en verticale du fait du faisceau plat. Nous pouvons donc conclure qu'un faisceau incident à P/2, correctement focalisé, génère un champ électrique de plus de 1,28 109 V/m, ce qui était la base de nos calculs à partir des caractéristiques de l'oscillateur. Il est même préférable de diviser le faisceau dans un rapport différent de 2, pour réserver une part optimale à chaque composant.
Je suggère donc d'employer une lentille plan convexe (convergente) ou équivalent pour la zone du FEA avec une tâche focale HxV de 2mmx100µm ou moins pour H. Une évaluation montre que la réduction de sigma_H renforce théoriquement le champ d'un facteur 10.
Note, côté DLA, nous pouvons tabler sur des dimensions 1x1mm. Néanmoins il ne faut pas augmenter indéfiniment la puissance du fait de la tenue des diélectriques.
IX. LE POSITIONNEMENT DU DLA FACE A LA PHOTO-CATHODE
Dans la version coaxiale, le DLA est réglé en hauteur, en angle et transversalement par les dispositifs suivants :
- réglage grossier en hauteur par vis sans fin, traversée sous vide- réglage grossier en largeur : idem,- réglage grossier en angle - réglage fin en hauteur :- réglage fin transversal :- réglage fin en angle :
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Une autre solution est donnée sur la figure suivante :
Le DLA est directement fixé sur le canon; Les pièces support sont percées pour le passage des faisceaux laser. Cette procédure a pour inconvénient de rompre le vide. Aussi une solution consistera à fixer une ''pièce enveloppe'', dans laquelle on peut glisser le canon. Les dispositifs mécaniques sont fixés sur cette pièce enveloppe. Le montage doit être précis au mm pour le rattrapage par les translateurs de précision4. Pour éviter le passage sous vide des câbles de commande, il est intéressant de disposer d'une liaison optique ou hyperfréquence. Il est aussi possible de passer une fibre optique par l'intermédiaire d'une traversée spécifique tenant au vide jusqu'à 10-9Torr. Le positionnement est vérifié par un objectif de microscope.
4 L'un d'entre eux figure avec le symbole rectangulaire, et une ellipse en son intérieur
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Le passage du laser est conceptuellement possible au travers de la ''pièce-enveloppe'' et du retour de courant coaxial. Qu'en est-il de son passage au travers de la cathode, car celle-ci est incurvée? Une solution est de prévoir une traversée guide d'onde. Son diamètre doit être au moins de l'ordre du mmpour laisser passer le laser. Les fréquences hautes de l'impulsion électrique sont 3,5GHz, cela correspond à un guide d'onde à la coupure d'environ 85mm. Toute ouverture de l'ordre du mm sera passe-haut par rapport au signal électrique.
X. LES MESURES [Breuer]
Courant SchottkyIl n'est pas attendu un courant important dû à l'émission de champ sous impulsion électrique HT. Néanmoins pour être sur que le ''courant noir'' est minimal, un mesure de courant à l'échelle picoseconde est nécessaire. Le principe en est simple [Reutova] Une traversée coaxiale est aménagée pour le captage type antenne du courant. La calibration s'effectue à l'aide de simulation électromagnétique (paramètres S). La sensibilité devrait être suffisante (1kAin/7kVout dans la référence) La mesure doit se faire en l'absence du DLA.
Forme d'onde du courant de sortie fs après DLARédaction ultérieure
Charge intégréeRédaction ultérieure (Faraday cup)
Longueur de cohérence de la source et mesure d'émittance transverse
Ces mesures peuvent s'effectuer en traitant la source comme une sonde de mesure de diffraction atomique de réseau LEED [Tsujino]
Spectromètre pour l'énergie moyenne et la dispersion chromatique
2 solutions sont possibles :
- un spectromètre électrostatique , [Breuer]
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- un spectromètre par réseau photonique.
La première solution est une lentille Einzel modifiée en forme de tube (pourquoi ? Une forme simple sans tube suffirait), associée à un déflecteur magnétique, un détecteur à micro canaux (MCP)et une électronique de mesure de délais. (voir liste d'équipements)
La deuxième solution est plus compacte, c'est un dispositif de la même taille que le DLA, mais il nécessite une fabrication spécifique. En fait, un DLA ''inverse'' permettrait une décélération ou une déflexion, par conséquent, les électrons traversant ce second réseau sont triés en fonction de leur énergie.
D'où plusieurs fonctions possibles pour ce ''spectromètre optique'':
- un réseau à déflexion- un réseau à décélération à pas constant,- une réseau à décélération à pas variable.
Le réseau à déflexion me paraît la voie à développer. [LEEDLE]
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XI. ANNEXE : ARGUMENTAIRE SCIENTIFIQUE
Dans cette annexe à venir figureront des résultats sur les problèmes évoqués dans le document et non confirmés à ce jour. Les questions sont listées ci-après
Evolution du champ électromagnétique au voisinage d'une pointe
Vérification des espacements entre pointes du FEA
Analyse ab initio des technologies de photo-cathode
Evaluation de l'explosion Coulombienne dans un canon à pervéance naturelle et confirmation du choix sans optique.
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LES PLANS B
La photo-cathode
Actuellement les FEA, voire les pointes seules, sont activement étudiées. Elles permettent de dépasser la limite inférieure -pratique- observée (théorie?) de 70fs sur les cathodes planes et présentent une très faible émittance. Mais nous devons soit disposer de la ressource IEF (ou équivalent au CNRS) soit obtenir de l'aide d'un laboratoire extérieur (Dr Tsujino, PSI ?).
La source électrique pulséeSans le générateur, l'état de l'art actuel est l'emploi d'une source continue en provenance d'une colonne de microscope [Mcneur]
Dans ce cas, l'adjonction du générateur d'impulsion est inutile, la colonne continue est branchée à saplace.
Le réseau DLA
Idem photo-cathode concernant les ressources. Une alternative aux réseaux 1µm est d'employer un réseau THz que PSI pourrait prêter. Il est nécessaire de générer du THz. La solution décrite serait l'injection du faisceau de l'oscillateur dans un cristal (LiBNo3?).
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Bibliographybabigeon1: Babigeon, Recherche des paramètres physiques entrant dans la commutation haute tension sub nanoseconde de diodes SiC - Application à l'intégration de diodes prototypes dans un générateur pulsé, 2017Rudnyckyij: Rudnyckyij, notice de loadlock - à paraître, 2017babigeon2: Babigeon, femtosecond bunches between FEA and DLA, 2017ibid_babigeon2: Artymiak, Jacek, LibreOffice Calc Functions and Formulas Tips, 2011Breuer: John Breuer, Dielectric laser accelerationof non-relativistic electronsat a photonic structure, 2013Reutova: A.G. Reutova, K.A. Sharypov, V.G. Shpak, S.A. Shunailov, and M.I. Yalandin, Current Probes for Picosecond Electron Beams, 2011Tsujino: Soichiro Tsujino 1 , Prat Das Kanungo 1 , Mahta Monshipouri 1 , Chiwon Lee 1,2 & R.J. Dwayne Miller 2,3,4, Measurement of transverse emittance andcoherence of double-gate field emitter arraycathodes, 2016LEEDLE: Leedle, Dielectric laser acceleration of sub-100 keV electrons with silicon dual-pillar grating structures , 2015Mcneur: Mcneur, A miniaturized electron source based on dielectric laser accelerator operation at higher spatialharmonics and a nanotip photoemitter, 2016
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