cERLのオプティクス設計の進捗状況
ERL検討会
4号館 セミナーホール
2011年2月15日(水) 14:00 ～加速器第7研究系
島田 美帆、宮島 司、原田 健太郎、坂中 章悟、小林 幸則
東京大学物性研究所
中村 典雄
日本原子力研究開発機構
羽島 良一

現在のラティス案 4.
35 MeV 1 loop

1.

3.

5.
5.

4.
245 MeV 2 loop1.

周長補正のためのステアリング配置•

2.

5 mm～数cm程度の調整が可能。

外側ループ周長補正のためのラティス変更•

3.

内側ループと同様にベンドの位置調整で5cm程度の周長補正ができるようにラティスを変更

35MeV-versionでエネルギー回収直後で5MeVビームを周回部から取り出し•

4.

5MeVビームが周回部に残っていると、35MeVビームの収束が困難なため。

ダンプの配置およびダンプライン•

5.

ベンドを間に挟み、ダンプ設置後も取り出し点の位置の微調節が可能となった。

直線部のQの配置(特に35MeV-version)••

加速空洞がない部分にＱを追加。
逆Compton散乱用に収束点近くにＱを配置し、その部分以外ではQを均等に配置。

2.

2 loop cERLのOptics設計の現状

Case 1: 入射合流部出口で( βx , αx , βy, αy ) = (13 m, -2, 0.7 m , 0 )の場合

Case 2: 入射合流部出口で( βx , αx , βy, αy ) = (47.1 m, 1.65, 21.5 m , 5.52 )の場合

図1: Case 2は1周目の内側ループですでに規格化エミッタンスが10倍近くまで増加。

図2: Case2の1周目内側ループのReturn arcの直前のPhase Space

現在のOpticsの問題点
Case 1 : 入射器のOpticsと整合がとれていない。
Case 2: CSR wakeによってエミッタンスが10倍も増加する。
エネルギー回収直後のビームサイズがCase1のおよそ2～3倍。

内側ループのCSR wakeによるエミッタンス増加•

エミッタンス増加はアークCenterのβxに大きく依存
Case 1

βxCent = 17 m

Center

図: 内側ループ半周後のエミッタンス増加。m11はあるTripletのK値の組み合わせ。
運動エネルギー35MeV, バンチ長3ps, εnx = 0.3 mm-mrad,電荷量77pCである。トラッキング粒子数は10000。

∆εnxが2倍以下に抑えられる範囲は1 m < βxCent < 20 m

• Case 2でエミッタンスが大きくなったのはβxCent =190 mであったためと推定できる。
• 今後は適切な範囲内に収める。

Case 2

βxCent = 190 m

1 loop 35 MeV のOptics設計の現状
逆Compton散乱用Q未使用

CSRの電磁場は電子エネルギーに依らない
35MeVの低エネルギーではCSR wakeによるεnx増加が顕著
エネルギー回収後のビームサイズの増加が深刻

CSR wakeの影響をelegant
で最適化**空間電荷効果によるエンヴェロップの変化については無視した。

•••

CSR wakeによるエミッタンス増加を最小に抑えるため、アーク中央のβ関数を5mとした。
Dump lineで分散関数を閉じなかった理由は、β関数が大きくなってしまうためである。
逆Compton散乱用のQは未使用である。
β関数の定義：•σ x, y ≈β x , yε nx ,nyγ

規格化エミッタンス・ビームサイズに変化がない場合、β関数はエネルギーに比例する。

定義により、5MeVではβ関数が小さくなる傾向にあるが、ビームサイズが小さいとは限らない。

Trackingの結果

35MeV, 77pC, εn = 0.3 mm-mrad, σz = 3 ps, particle = 1E6
8E-6 [m]3E-3 [m]Cavity6E-4 [m]

arc
arc

arc

εnxarcσx10 mmσy•

最大ビームサイズ––••

減速中の空洞内

減速空洞内： σx=0.87mm
ダンプライン： σx=3.1mm

最大のεnx–––

ダンプライン

arc

4 mm
1 mm

1 mm

arc

周回部(arc以外）：6E-7
ダンプライン：7E-6
ダンプラインで10倍に悪化

垂直方向のrmsビームサイズは1mm以下となった。

Trackingの結果

35MeV, 77pC, εn = 0.3 mm-mrad, σz = 1 ps, particle = 1E6
8E-5 [m]8E-3 [m]
arc

arc

arc

arc

εnx

σx40 mm

10 mm
1 mm

1 mm

arc

•

最大ビームサイズ––••

減速空洞内： σx=2.7mm
ダンプライン： σx=8.6mm

最大のεnx––

減速中の空洞内arc

σy•

ダンプライン

Cavity8E-4 [m]周回部(arc以外）：1.5E-5
ダンプライン：8E-5垂直方向のrmsビームサイズは1mm以下となった。
3psのケースに比べて、ビームの質の劣化が激しい。

Trackingの結果（規格化エミッタンス:εnx）
35MeV, particle = 1E4 (1E6の結果と若干異なる。）

電荷量依存性（σz = 1ps、初期εnx = 0.3mm・mrad ）••••初期εnx依存性（σz = 1ps, 77 pC）

バンチ長依存性（77 pC）

電荷量依存性：
電荷量が大きいほどεnx増加が著しい。電荷量の2乗に比例する。
初期εnx依存性：
初期εnxが小さいほどCSR wakeの影響が大きくなるため、 εnxがより増加する。
バンチ長依存性：
バンチ長が短いほど、 εnxがより増加する。その影響は初期εnxが小さいほど大きい。
RF cavityの振幅・位相の0.1%の誤差：
εnxに関しては3%程度の変化

Trackingの結果（水平方向rmsビームサイズ:σx）
35MeV, particle = 1E4 (1E6の結果と若干異なる。）

電荷量依存性（σz = 1ps、初期εnx = 0.3mm・mrad ）••••初期εnx依存性（σz = 1ps, 77 pC）

バンチ長依存性（77 pC）

電荷量依存性：
電荷量が大きいほどσxの増加が著しい。Opticsにも依存するため、電荷量の2乗に比例しない。
初期εnx依存性：
初期εnxが小さいほどCSR wakeの影響が大きくなるため、 σxがより増加する。
バンチ長依存性：
バンチ長が短いほど σxがより増加する。
εnxとは異なり、バンチ長に依らず初期εnxが小さいときに増加量が大きい。
RF cavityの振幅・位相の0.1%の誤差：
σxに関しては4%程度の変化

まとめ• 2つのラティスの設計を進めている。
– 周長補正などを考慮に入れたラティスの変更を行った。（詳細は別の打ち合わせの資料を参考）– 35MeV運転時には、5MeVビームをエネルギー回収直後に取り出す。

• 2 loop-ERL– 入射合流部のTwiss parameterを入射器のOpticsを合せたところ、CSR wakeの影響が大きくなった。
– アーク中央のβ関数が1m～20mのから大きく外れていたことが原因であると推測した。

• 35 MeV 1 loop-ERL– 比較的エネルギーが低いため、CSR wakeの影響が大きい。
– エミッタンスやビームサイズは以下の条件で増加してしまう。
短いバンチ長(1ps)、小さな初期エミッタンス(0.3mm・mrad)、大きな電荷量(77pC)– 77pC, 1ps, 0.3mm・mradのケースでは水平方向のビームサイズが全幅で4cmを超えることもある。