IP	  Orbit	  Feedback	  	  Dithering	M.	  Masuzawa	  Introduc:on	SuperKEKB	  needs	  to	  align	  two	  super-­‐small	  beams	  in	  ver:cal	  and	  horizontal	  planes	  at	  the	  IP	  for	  good	  collision.	  
And	  good	  collision	  condi:ons	  have	  to	  be	  maintained.	  
KEKB	  y	  and	  y’	  :	  	  	  “standard”	  orbital	  feedback	  based	  on	  beam-­‐beam	  kick	  calculated	  from	  the	  BPM	  readouts	  located	  on	  both	  sides	  of	  the	  IP	  was	  used.	  
x	  :Beam-­‐size	  (from	  the	  SR	  Monitor)	  	  was	  monitored	  and	  control	  by	  changing	  the	  horizontal	  bump	  height	  at	  the	  IP	  before	  crab	  crossing.	  
x	  :beam-­‐beam	  kick	  aOer	  crab	  crossing	  with	  crab	  cavi:es.	  
FB	  rate	  was	  about	  1	  Hz.	

Introduc:on	SuperKEKB	  needs	  to	  align	  two	  super-­‐small	  beams	  in	  ver:cal	  and	  horizontal	  planes	  at	  the	  IP	  for	  good	  collision.	  
And	  good	  collision	  condi:ons	  have	  to	  be	  maintained.	  
SuperKEKB	  y	  and	  y’	  :	  	  	  “standard”	  orbital	  feedback	  based	  on	  beam-­‐beam	  kick	  calculated	  from	  the	  BPM	  readouts	  at	  both	  sides	  of	  the	  IP	  s:ll	  expected	  to	  work,	  just	  needs	  to	  be	  faster.	  
⇒presenta:on	  by	  the	  monitor	  G	  (H.	  Ikeda).	  
x	  :	  Beam-­‐beam	  kick	  will	  not	  be	  a	  sensi:ve	  parameter	  for	  monitoring	  collision	  as	  ξx	  is	  so	  small:	  ξx	  ~	  0.0028(e+),	  0.0017(e-­‐)	  ⇒Luminosity	  dither	  is	  being	  considered.	  Collision	  FB	  scheme	  (KEKB	  &	  SuperKEKB	  y&y’)	
(1)	  Finding	  good	  collision	  (luminosity	  max.)	
Calculate	  beam-­‐beam	  kick	  (b-­‐b	  deﬂec:on)	  using	  BPMs	

Change	  bb	  kick	  by	  changing	  se^ng	  of	  iron-­‐core	  steering	  magnets	  located	  on	  either	  side	  of	  the	  IP.	

Luminosity	  scan	  Lumi.	  	  vs	  bb	  kick	(2)	  Maintaining	  good	  collision	  (luminosity	  max.)	
Luminosity	  scan	  Maintaining	  collision	

Bump	  height	  created	  by	  steering	  magnets	  @IP	  to	  maintain	  bb-­‐kick	

Ver:cal	  bump	  height	  @IP	

Beam-­‐beam	  kick	bb	  kick	Collision	  FB	  scheme	  (SuperKEKB	  x)	(1)	  Finding	  good	  collision	  (luminosity	  max.)	

Dithering	  (60~70	  Hz)	  by	  air-­‐core	  coils	  on	  both	  sides	  of	  the	  IP.	
(2)	  Maintaining	  good	  collision	  (luminosity	  max.)	

Change	  dithering	  output	  	  (zeroing	  Lock-­‐In	  amp	  output)	  by	  se^ngs	  of	  iron-­‐core	  steering	  magnets	  located	  on	  both	  sides	  of	  the	  IP.	  	  	Luminosity	  dither	  (similar	  to	  PEP-­‐II)	  :	  	  	  Key	  components	  to	  be	  examined	(1)	  Dither	  frequency	  :	  	  	  Not	  faster	  than	  PEP-­‐II	  dither	  50~100	  Hz	  (2)	  Dithering	  coil	  design	  (air-­‐core	  or	  ferrite-­‐core)	  :	  	  Es:mate	  of	  bump	  height	  &	  magne:c	  ﬁeld	  (3)	  Power	  supplies	  :	  	  	  For	  actua:ng	  coils	  (4)	  Lock-­‐in	  amps	  :	  	  	  To	  discriminate	  dither	  signals	  (5)	  Vacuum	  duct	  :	  	  	  For	  magne:c	  ﬁeld	  penetra:on	  (6)	  Good	  luminosity	  signal	  :	  	  	  	  Event	  rate,	  S/N	  ⇒	  Very	  cri:cal	(1)	  Dither	  frequency	  From	  17th	  Review	  Commi?ee	  Report:	  The	  horizontal	  orbit	  feedback	  cannot	  use	  the	  beam-­‐beam	  deﬂec:on	  method,	  since	  the	  beam	  beam	  parameter	  is	  low	  and	  there	  are	  two	  sources	  of	  the	  horizontal	  beam-­‐beam	  kick.	  Instead	  a	  dithering	  system	  like	  at	  PEP-­‐II	  is	  foreseen.	  The	  expected	  high	  ZDLM	  rate	  will	  allow	  good	  precision	  and	  fast	  response.	  K.	  Ohmi	  has	  simulated	  the	  dependence	  of	  the	  luminosity	  on	  the	  horizontal	  beam-­‐beam	  separa:on.	  The	  luminosity	  drops	  rapidly	  for	  a	  separa:on	  larger	  than	  5-­‐10	  micron	  (roughly	  the	  horizontal	  rms	  beam	  size).	  The	  horizontal	  collision	  feedback	  system	  need	  not	  be	  very	  fast,	  since	  the	  most	  important	  perturba:on	  is	  expected	  to	  be	  rather	  slow,	  around	  3	  Hz.	  	  Review	  “perturba:on	  is	  expected	  to	  be	  rather	  slow,	  around	  3	  Hz.”	  	Tunnel	  vibra:on	  near	  the	  IP	Horizontal	

Ocean	  swell	Vibra:on	  will	  be	  ampliﬁed	  by	  cryostat,	  magnet,	  movable	  table…	  How	  much	  larger	  will	  it	  become	  &	  what	  frequencies?	  
⇒ Being	  examined	  by	  H.	  Yamaoka.	  
We	  will	  prepare	  Horizontal	  FB	  anyway.	

74nm	  61nm	  ＠1Hz	  Beam	  line	  ﬂoor(B3)	

~3Hz	  Mainly	  in	  ver:cal	  (Kanto-­‐loam	  soil)	
~8Hz	  10nm	  	  	  4nm	  	  @10Hz	  H.	  	  Yamaoka	

(1)	  Dither	  frequency	  We	  need	  to	  pick	  one	  frequency	  for	  dithering	  as	  we	  will	  just	  dither	  in	  horizontal	  direc:on.	  
PEP-­‐II	  To	  avoid	  interference	  from	  the	  60-­‐Hz	  power	  line,	  the	  dithers	  run	  above	  70	  Hz.	  
Our	  power	  line	  runs	  at	  50	  Hz…	  So	  50	  ~	  100Hz?	  (2)Dithering	  coil	  design	  (air	  core	  or	  ferrite	  core)	  Es:mate	  of	  bump	  height	  and	  magne:c	  ﬁeld	
When	  two	  beams	  overlap,	  the	  luminosity	  drops	  on	  either	  side	  of	  the	  peak,	  giving	  modula:on	  at	  2ωx.	  	  Oﬀ	  center,	  there	  is	  addi:onal	  modula:on	  at	  the	  fundamental.	  	
Dithering	  simula:on	  by	  S.Uehara	  Max.	  dithering	  amplitude,	  which	  corresponds	  to	  10	  %	  drop	  of	  the	  peak	  luminosity	  should	  be	  prepared.	  
Beam-­‐beam	  simula:on	  by	  K.	  Ohmi	  This	  corresponds	  to	  a	  horizontal	  bump	  height	  of	  ~7µm.	  	  We	  will	  prepare	  coils,	  which	  can	  make	  a	  ±10µm	  horizontal	  dithering	  bump	  at	  the	  IP.	  
⇒Max.	  kick	  angle	  (es:mated	  by	  Y.	  Funakoshi))	  of	  	  ±10µrad,	  if	  coils	  are	  placed	  near	  the	  slow	  “iBump”	  horizontal	  steering	  magnets.	  	  Dithering	  coil	  loca:ons	Four	  loca:ons,	  two	  on	  each	  side	  of	  the	  IP,	  	  in	  HER.	  
Does	  it	  make	  more	  sense	  to	  have	  dithering	  coils	  in	  LER?	  
Will	  be	  inves:gated.	  	Dithering	  coil	  design	  Air-­‐core	  type	

PEP-­‐II	  dither	  coils	  2	  pairs	  of	  Helmholtz	  coils	  Ours	  will	  be	  just	  one	  pair	  Assuming	  Leﬀ	  ~	  0.25m,	  we	  will	  just	  need	  ~10	  G	  	Coil	  design	  will	  be	  done	  soon.	  
Wire	  size,	  #	  of	  turns,	  inductance,	  resistance,	  power	  consump:on	  and	  so	  on.	  Dithering	  coil	  design	  Ferrite-­‐core	  type	What	  SuperB	  proposed:	  Dither	  coils	  will	  be	  curved	  “saddle”	  coils	  with	  a	  cos(θ)	  current	  distribu:on	  and	  an	  outer	  ferrite	  cylinder	  to	  act	  as	  a	  shield	  and	  ﬂux	  return.	  
Provides	  much	  bewer	  shielding	  and	  eﬃciency	  than	  the	  open	  Helmholtz	  coil	  design	  used	  in	  PEP-­‐II.	  	  This	  is	  interes:ng.	  
Will	  be	  looked	  into.	

	  ekam	  ot	  deen	  lliw	  eW	.
siht	  ekil	  elbat	  a	  ekam	  ot	  deen	  lliw	  eW	.
siht	  ekil	  elbat	  a

(3)Power	  supplies	  for	  actua:ng	  dither	  coils	
PEP-­‐II	  	  a	  bipolar	  voltage-­‐controlled	  current	  source	  capable	  of	  delivering	  up	  to	  20	  A	  at	  20	  V	  (Kepco	  BOP	  20-­‐20M)	  was	  used.	
Our	  power	  supplies	  have	  similar	  speciﬁca:ons	  As	  Kepco	  BOP	  20-­‐20M.	  (4)Lock-­‐in	  amps	  To	  discriminate	  dither	  signals	€(4)Lock-­‐in	  amps	  To	  discriminate	  dither	  signals	

X0	  :	  Oﬀset	  of	  two	  beams.	

x = x 0 + x˜ cosω x t⎡ x 2 ⎤L(x) = L0 exp ⎢ − 2 ⎥
2*2*2
Σx = σ x + + σ x −⎣ 2Σ x ⎦2 ⎤⎡⎡ x 0 x˜⎤x˜ 2x= L0 ⎢1 − 2 cosω x t − 2 cos2 ω x t ⎥ exp ⎢− 0 2 ⎥Σx2Σ x⎣⎦⎣ 2Σ x ⎦Lock-­‐in	  a€mp	  &low-­‐pass	  ﬁlter	⎡ x 0 2 ⎤x 0 x˜Vx = CL L0
exp ⎢− 2 ⎥22Σ x⎣ 2Σ x ⎦Vx	  is	  useful	  because	  (1) propor:onal	  to	  the	  oﬀset	  x0	  	  €(2) and	  goes	  to	  zero	  when	  the	  luminosity	  is	  maximized.	  oL	  a	  teg	  ot	  deen	  lliw	  e	.
tWi	  htiw	  yalp	  dan	  .
pmA	  nck-­‐I	  ,sno:al	  	  e	  r
Simuamhwtidrroaghl	  fa	  o	  gnidtestnﬁ-­‐orez	  fo	  test	.
dedeeare	  n	  ,sno:al	  	  e	  r
Simuamhw
tidr
roaghl	  fa	  o	  g
n
i
dtest
nﬁ
-­‐or
ez	  fo	  test	.
dedeeare	  n(5)Vacuum	  duct	  For	  ﬁeld	  penetra:on	~60Hz	  Dithering	  freq.	

Bout=Bin€1⎡ µ0 bt ⎤
1+ ⎢ω ⎥⎣ 2 ρ ⎦2b:	  Outer	  radius	  of	  the	  duct	  t:	  	  Thickness	  of	  the	  duct	  	  	  	  	  	  6mm	  ρ: conduc:vity	  ω: Angular	  frequency	  A.W.	  Chao	  and	  M.	  Tigner,	  Editors,	  Handbook	  of	  	  Accelerator	  Physics	  and	  Engineering,	  	  Second	  prin:ng,	  World	  Scien:	  ﬁc,	  Singapore	  (1998),	  p.	  264.	  (5)Vacuum	  duct	  For	  ﬁeld	  penetra:on	Current	  design	  Copper	  6	  mm	  thick	  We	  will	  have	  to	  make	  a	  request	  to	  Suetsugu-­‐san	  	  to	  change	  the	  duct	  material	  	  from	  Copper	  to	  stainless	  steel,	  where	  iBump	  &	  dithering	  magnets	  are	  located.	  
Y.	  Suetsugu	(6)	  Good	  luminosity	  signal	  (S/N)	

Fast	  luminosity	  monitor	  by	  S.	  Uehara.	  
How	  clean	  is	  the	  signal?	  
Very	  important.	  Is	  1	  Hz	  fast	  enough?	

Dithering	  Summary	  :	  To-­‐do	  list	

Loca:ons	  of	  the	  dithering	  coils	  (and	  	  iBump	  (orbit	  control)	  steering	  magnets)	  need	  to	  be	  ﬁnalized	  and	  a	  request	  to	  the	  vacuum	  group	  needs	  to	  be	  placed	  very	  soon.	  	  Stainless	  steel	  vacuum	  ducts	  are	  preferred.	  	  Or	  ﬁnd	  loca:ons	  where	  ducts	  are	  thinner	  (bellows)?	  
Horizontal	  only?	  
Speciﬁca:ons	  for	  coils	  and	  power	  supplies	  need	  to	  be	  ﬁnalized	  and	  the	  coils	  (air-­‐core	  or	  ferrite	  core)	  need	  to	  designed.	  
Power	  supplies	  need	  to	  be	  purchased.	  (or	  re-­‐use	  the	  old	  KEKB	  iBump	  power	  supplies.)	  Speciﬁca:ons	  for	  Lock-­‐In	  amps	  need	  to	  be	  decided.	  	  	  Can	  we	  borrow	  one	  from	  SLAC?	  	  Or	  purchase	  one?	  
Con:nuing	  work	  on	  fast	  luminosity	  monitor	  by	  S.	  Uehara	  -­‐-­‐	  collabora:on	  with	  LAL	  is	  ongoing.	  
Signal/noise,	  zero-­‐ﬁnding	  algorithm	  simula:on	  work	  is	  needed.	  
Steering	  magnets	  for	  changing	  the	  collision	  orbit	  needs	  to	  be	  designed.	  	  Se^ng	  rate?	  
Collabora:on	  with	  SLAC	  is	  highly	  appreciated.	  
spare	74nm	  61nm	  ＠1Hz	  	  56nm	  	  52nm	  	  @1Hz	  	  5nm	  	  3nm	  @10Hz	  	  10nm	  	  	  4nm	  	  @10Hz	  Integrated	  amplitude	  Concrete	  shield	  	  99nm	  	  99nm	  @1Hz	  KEKB	  Floor	  10nm	  	  	  9nm	  	  @10Hz	  Concrete	  	  	  E=30GPa	  	  	  Density=2.3	  	  	  Damping=	  2%	  H.	  	  Yamaoka	

30	  Project	  Scope	  for	  SLAC	  work	  (tenta:ve,	  to	  be	  agreed	  upon	  between	  SLAC	  &	  KEK)	
• IR	  Feedback	  Inves:gate	  an	  IR	  feedback	  scheme	  that	  will	  maintain	  stable	  collisions	  at	  high	  luminosity	  – Perform	  analy:c	  work	  and	  simula:ons	  of	  such	  a	  system,	  as	  appropriate,	  in	  communica:on	  with	  KEK	  – Generate	  requirements	  for	  the	  luminosity	  monitor(s)	  and	  other	  diagnos:cs	  to	  be	  used	  in	  the	  feedback	  – Generate	  requirements	  for	  the	  beam-­‐control	  elements	  (steering	  magnets)	  – Propose	  hardware	  implementa:on	  compa:ble	  with	  extant	  KEK	  infrastructure.	
Y.	  	  Funakoshi