ERL におけるビーム計測―

概要と光による計測技術のトピックス―

KEK・PF 三橋 利行
はじめにERL 加速器におけるビームダイナミク

ポイントになる項目について、以下にあげ連ねてみる。

スの研究、エネルギー回収のためのビーム＊入射部におけるハイパワービームのビー制御のために、的確で、正確なビームの診

ム位置、プロファイルなどの診断断が必要である。ERL には、従来の加速器＊加速空洞直線部における加減速両ビームには存在していいない加速器としての新たの同時診断、ビームタイミング計測な、特有の構成があるので、そのためのビ＊加減速両ビーム強度の精密計測

ーム診断技術の開発研究もあわせて行って＊ビームハローの診断いく必要がある。最近、電気的な計測技術＊ビームサイズ、プロファイル診断に基づくビーム計測技術が主流であったこ＊フェムト秒領域での縦方向プロファイルの分野に、光学的な計測技術が応用され始の診断

め、さらには電気的な技術と光学的な技術＊アンジュレーター直線部のための空洞型を融合した技術も使われ始めている。従来

ビーム位置モニターによる精密ビーム位の電気的な計測技術も、ディジタル技術の置診断導入により、大きく発展しつつある。ビー＊ 高速時間応答ビーム位置診断

ム計測の分野では、将来の先端加速器開発

これらのポイントに沿って ERL のビームを視野に入れて、日頃から色々なビーム計

計測システムのデザインが進められており、測のためのアイデアが考案され、研究開発

以下にその概要を述べる。

が活発に行われており、これらの結果にはERL に応用できるものも少なくない。本稿§１−１ ERL の全体構成

では、先ず、ERL におけるビーム計測について概要を述べた後、ERL における光学的ERL は基本的に線形加速器に周回部をビーム計測の中から、トピックス的なもの

付加してビームを加速空洞に戻し、減速位として、Low-γ OTR、強度干渉計によるバ相に乗せることでエネルギー回収する構造

ンチ長の測定、コロナグラフによるビームをしている。大まかに、入射部、加減速のハロー測定について紹介する。

ための RF 空洞が入る直線部、アーク部、
挿入光源のための直線部、ビームを捨てる§１ERL におけるビームインストゥルメためのダンプラインからなる。この教科書

ンテーション

に、もう何度となく出てきている絵であろ

ERL におけるビーム計測について主な

うが ERL の全体構成を見るために KEK

Schematic of general layout of the compact ERL
chicaneStraight section 2 for the undulator

Diagnostics line

Arc 1

Arc 2

Straight section 1
Cavity module 2

Cavity module 1

mergerinjector

Beam dump

図１−１ コンパクト ERL の全体構成
で現在設計が進められているコンパクト

ことが困難である。ビームの繰り返しを下ERL の全体構成を図１−１に示す。以下にげるなどすれば使用することが出来るので、各セクションについて必要となるビーム計

これらの計測器は依然として重要である。

測システムについて概略を述べる。

特に蛍光板はスリット、ピンホールアレイと併用することで空間分解能をあげること§１−２

ERL の各部分に必要なビームが可能であるので重要な計測器である。また従来の一般的なビーム位置モニター

計測システム(BPM）も必要である。入射部は 10MeV とエネルギーが低いので、放射光モニターの入射部
入射部は 1.3GHz の繰り返しを持つ大強

ような非破壊型のモニターは使用できない。

度の線形加速器であり、フルパワーで運転

遷移放射 OTR[1][2]は γ が非常に小さい電すると入射部のエンドで 1MW のビームパ

子銃から出たてのビームでも発生するので、ワーに達する。この部分のモニター配置概アクセプタンスの大きな光学系を設計すれ要を図 1−2 に示す。

ば有望なプロファイル、バンチ長モニター

Injector sectionとなる。このモニターについては§２で紹介

合流部

する。OTR モニターは通常非破壊型のモニターに分類されているが、ビームエネルギ
ーの低い部分では薄いターゲットを用いてもビームロスは無視できないから、入射部

BPM

入射部
加速空洞

OTR, Fluorescence screen

で用いるときはどちらかといえば破壊型で電子銃あるので、フルパワーでは使用することは

図１−２ 入射部モニター配置の概略困難である。いずれにしてもフルパワー運

Laser wire scanner

転時はメガワット級の電子ビーム溶接機のこのような大強度ビームの下では、従来のようなものであるから電子ビームの空間分

線形加速器でよく用いられてきた蛍光板、布を調べるのは破壊型のモニターではかな

ワイヤースキャナーのような破壊型のビー

り難しいと言わざるをえない。ハイパワー

ム計測器についてはフルパワーでは用いる

でのビーム診断を行うには、図1−1に示す

Cavity section

ように、入射部の後段にビームをデフォーカスしてパワー密度を落とすような、診断

BPM

ラインを設けることも必要である。入射部

OTR, Fluorescence screen

において、非破壊型のモニターで使用できそうなのはレーザワイヤー[3]、レーザ干渉計タイプ[4]の、ビームによるレーザ光の逆コンプトン散乱を利用したモニターである。

図１−３

この種のモニターは最近リニアコライダー

略加速空洞部のモニター配置の概関連で盛んに研究開発がなされており、特にレーザ干渉計型のモニターはレーザーのアーク部

干渉縞の周波数を変えることにより、放射アーク部は従来の電子蓄積リングと基本

光干渉計のように電子ビームの空間分布に的には同じ構成であるので、従来から用いついてフーリエ解析をすることが出来る。

られてきた各種のモニターを配置することエネルギーの低い逆コンプトン散乱光を、が出来る。図１−４、５にモニター配置のどのように加速器の真空ダクトから取り出

概略を示す。

すかが問題ではあるが（同様の問題はワイ
ヤースキャナーを用いるときにも同様に起

SR3
SR3

Arc1

SR4

こる)、この種のモニターはビームパワーが大きいほど感度がよくなるので、入射部のSR2

ハイパワービーム用のビーム形状モニターとしては有望である。
加速空洞部
加速空洞が入る直線部は加速位相に乗る
ビームと減速位相に乗るビームの２つのビームが約 0.385nsec のインターバルで繰り返し通過するので、従来の加速器にはない

SR1

BPM (strip(strip line
line ororcavity
cavity type)
type)
BPM
Fluorescence screen ,OTR

ERL 独特のセクションである。加減速ビー
ムの両者の同時の軌道測定、位相測定、電流差の測定など、従来とは異なるビーム計

図１−４アーク部１のモニター配置の概略

測技術の開発が色々と必要である。図１−
３にモニター配置の概略を示す。このセク

アーク部を通るビームは、
繰り返し 1.3GHz

ションでは加減速位相に乗る 2 つのビームの加速後のビーム 1 種類であるので、通常の精密な独立な位相検出が必要である。この BPM システムがビーム位置検出に便利

れに関しては、高周波特性の良いガラス絶である。上で触れた開発が進んでいるガラ縁体による BPM[5]の開発が進んでいる。

スタイプ封止電極の BPM を用いればバンチ毎の位置検出も可能になると思われる。

を上げるには実効的なインピーダンを大きアーク部においては、偏向電磁石からの放くできるものがピックアップとして有利で

Arc2

BPM Strip line or cavity typeある。このようなピックアップを実現する

OTR or fluorescence screen
SR5

た め に 、 TM110 キ ャ ビ テ ィ ー を 用 い た
BPM[7]がリニアコライダーにおいて研究開発が進められている。既に非常に高い分解能が得られることが報告されており、ERL においても有望な位置モニターであBunch arrival
monitorる。フェムト秒領域におけるシングルショ
SR7

SR6

ットでのバンチ縦方向プロファイル測定では、ストリークカメラによる測定では定量性が良くないと共に時間分解能も不十分で

図１−５アーク部 2 のモニター配置の概略ある。最近、光学技術と電気技術を組み合わせた Electro-optic sampling 方式による射光が使えるので、可視放射光を用いたＳ

シングルショットでの計測法[8]が精力的にＲモニターのシステム[6]により、ビームプ研究されており、このタイプのモニターもロファイル、ビームサイズ、ビームハロー、

この直線部に設置する予定である。

位相空間でのビーム位置検出、ストリーク
カメラ、強度干渉計による縦方向のビーム

Long straight section
BPM

プロファイルなどが観測できる。このうち、cavity BPM

強度干渉計によるバンチ長測定については

BLM (one pass, Opto-electric type)§３で紹介する。またビームハローの観測

BAMについても§４で紹介する。
Test port for developments

挿入光源直線部
挿入光源直線部には挿入光源が設置され

図１−６

る直線部であるので、他の場所よりも高精の概略

挿入光源直線部のモニター配置

度にビーム位置を計測する必要がある。また、アンジュレーターにビームがくるタイ
ミングも高精度に計測する必要がある。図ダンプライン

１−６にモニター配置の概略を示す。通常

ダンプラインにはビームを安全にダンプのボタン電極型ＢＰＭの分解能はシステムへと導くためのＢＰＭが必要であるが、この特性インピーダンスにより制限されるのこは減速されたビームしか通らないことと、で、その S/N 比は単位帯域幅あたり大まか

特に高速のビーム計測も必要ないであろうに言って特性インピーダンスの平方根に比から、通常の BPM を配置すればよい。ま例する。そこで、S/N 比を良くして分解能

た、蛍光板のモニターも必要であろう。図１−７にダンプラインのモニター配置の概

差分型、および通常型の DC 電流モニター
ビームの DC 電流の観測[9]については、略を示す

Dump section

蓄積リングのような周回ビームを観測するのではないので、高精度 DCCT を数箇所に分散配置するのが便利である。現在のDCCT[9]の精度は 200mA のフルスケール
レンジにて長期ドリフト 20-50µA、分解能はほぼ 20µA 程度であるので DC 電流の測定にはこれで十分である。ERL に特化した

BPM
Fluorescence screen

モニターとして、入射したビーム電流とダンプに捨てた電流の差を測るための差分型
DCCT がある。両電流の差を 2 台の DCCT

図１−７ダンプラインのモニター配置の概を使って測定すると、上記の分解能である

略と 10-4 のレンジで電流の差が検出できると考えられるので、このままでもビーム回収

全体に共通のモニター

率の測定には十分の精度があるように思わ

ビーム損失モニターれる。

全体に共通のモニターとして重要なのが、以上 ERL におけるビーム計測について

ビーム損失モニターである。ERL は大強度概要を述べたが、これらのモニターを一覧

線形加速器であるにもかかわらず、蓄積リ表にまとめたものを本稿の最後につけておング並みのビーム損失を要求されている。

いたので参考にされたい。

このために全セクションにおいて厳重なビ

これより先のセクションでは光学的ビー

ーム損失モニターを装備する必要がある。

ム計測技術から、ERL に特化して開発されビーム損失を高感度で検出できるモニター

た光学的計測器のトピックスについて解説

として、PIN ダイオードによるフォトンカ

する。一般的な SR モニターに関してはい

ウンティング式のビーム損失モニターシス

くつかの解説[10][11][12]があるので、そちテムが使用されており[9]、このシステムをらを参照していただきたい。本稿では ERL

用いれば感度的には十分であるが、フォトに特化した多少なじみのない特殊な光学的ンカウンティング式であるので、多少大き計測法について以下の順に紹介をする。小めのビーム損失があると、すぐに飽和してさな γ における OTR について§２に、強度しまう。もちろん定常的な運転ではこのよ

干渉計による fs 領域でのバンチ長測定法にうなビーム損失は論外であるが、コミッシ

ついて§３に、コロナグラフによるビームハ

ョニング時における調整運転では大きなビローの測定について§４に、それぞれ紹介すーム損失も起こりうるであろうから、フォる。電気的なモニターに関しては飛山氏のトダイオードの出力をアナログ的に処理す解説が別にあるので、そちらをご覧頂きたるようなシステム[9]も併設するのが良い。

い。

光板によるビームプロファイルモニターと§２ Low-γ OTR

相補的に用いることが考えられており、特に入射部において電子銃から出たてのビー

電子加速器のみならず陽子加速器でよくムプロファイルを光学的に見ることが出来

使 う モ ニ タ ー と し て 遷 移 放 射 (Optical

るので、有望なモニターの一つである。OTR

transition radiation, OTR)を光源として用を結像するための光学システムはそのままいた光学式のモニターがある。遷移放射は蛍光板を見るための光学系になるので、こ荷電粒子が金属箔などのターゲットを通過の点も便利である。

する際に真空と物質の境界面で放射される
電磁波[1][2]で図２−１に示すようにター§２−１ 小さい γ での OTR

ゲットに対して電子ビームが直入射する場
合では、ビームの軸方向に放射が起こり、

OTR のスペクトルはγωp（ωp はターゲット

光の方向はビームが真空からターゲットに物質強度のプラズマ振動数）から低周波数

入射する場合はビームの進行方向と逆の方側へ伸びているが、モニターとして使用す

向に、ビームがターゲットから真空に出る

るには可視光の部分を使うのが便利である。

ときにはビームの進行方向にそれぞれ放射スペクトルの周波数ω1、ω2の間に電子 1 個される。放射強度の最大方向はほぼ 1/γ でから放射される OTR の光子数 N は、ある。

N (γ ) =
前方放射

2α

π

ln(2γ ) −1 ⎛ ω2 ⎞ln⎜ ⎟2 ⎜⎝ ω1 ⎟⎠で与えられる[13]。ここでαは微細構造定数

後方放射
-

e

である。この式を用いて、ERL で計画されている 77pc のバンチによりアルミニウム
ターゲットから放射される OTR の波長領域 400nm 800nm の範囲について積分した

図２−１

ビームがターゲットに直入射す

る場合の OTR。

OTR 強度の γ 依存性を γ が 2 から100 までの範囲について計算した結果を図２−１

比較的低いγでも放射が起こるので陽子加速器でも、この OTR を使って比較的手軽にビームのプロファイルを光学的に観測することが出来る。電子加速器においてはγが大きくなると OTR を発生するための金属箔
ターゲットによるビームロスは微々たる物

Number of photonsに示す。

になるので、線形加速器、ビーム輸送路なγどにおいて、ほぼ非破壊のモニターとして便利に使用されている。ERL においては蛍

図２−２

OTR のγ 依存性

この図からわかるように、γ が2から100まで§２−２ OTR の真空外への取り出し変化しても OTR の強度は 8 倍ほどしか変化しない。逆に言えば電子銃の出たてにおい±40°に及ぶ開口角を持つ光を真空ダクても OTR により光学的にビームプロファ

トから取り出すのはかなり厄介である。実

イルを観測することが可能である。OTR の用的には多少強度を犠牲にしても取り出す

強度については γ が２でも観測可能である

光の範囲を狭めざるを得ない。先ず、OTR

が、ここで問題となるのはこのように小さのターゲットの配置についてであるが、電い γ における OTR の放射の角度分布であ子ビームがターゲットに直入射する配置をる。OTR の放射角は大まかには1/γ 程度で取らないと（たとえば 45°の配置を取ると）あり、γが100程度では 10mrad 程度であるが、被写界深度が深くなり、後の光学系の設計

γが小さくなると放射角が大きくなる。OTRが非常に困難になるばかりではなく、光路の放射の角度広がりは、

長差（OPD)によりバンチ長の測定にもエラ

I (θ ) =− sin(θ )1 − β ⋅ cos(θ )γ

2ーが入る可能性もあり、ターゲットは電子ビームに対して直入射の配置にするのが良2い。直入射配置からの OTR は上にも述べたで与えられる[14]。図２−２に γ が2と10とように、ビームの進行方向かその反対方向

20の場合について OTR の放射角を計算しに出てくるので、真空ダクトの外に導くにたものを示す。γ = 2では OTR の放射角ははターゲットのすぐそばに図 2−3 に示す±40°にも達することがこの図から判る。

ように穴あきダイアゴナル(45°の鏡)を置いて OTR を反射する必要がある。

Normal incident

Diagonal for
extraction of OTR

Normalized intensity

γ=2e‑
Aluminum
foil target

γ=10
γ=20

‑38º

図２−２

Observation angle in radian38º

OTR 放射広がりのγ依存性。

図２−３直入射ターゲットとダイアゴナル
による OTR の取り出し。

したがって、小さな γ の領域で OTR を用い

このような OTR の取り出し配置では、OTRてビームプロファイルなどを光学的に観測の中心部部は取り出せないが、OTR は中心

するにはこの広い放射角にどう対応するか部分近傍には放射されないので、好都合でがポイントとなる。

ある。またひっくり返せば、OTR のターゲ

ットよりの前方放射と後方放射のどちらにときの軸外の収差を小さくするのに有利でも使えて便利である。

はある。電子銃の直後ではビームは比較的太く、視野として 20mm ぐらいはあった方§２−４ 大きい開口を持つ結像光学系がいいので、軸外の収差をよく補正するには、凸面鏡の後段に補正用のレンズを挿入

OTR の開口角の±15°取り出したとしてしてカタディオプトリックにすると設計がも光学系の working distance を 300mm とす

もっと楽である。このようなな考え方に基るとレンズの開口は 300ｍｍにもなってしづいてデザインした結像系の概略を図２−まう。このような大口径の結像光学系を設４に示す。

計するのは不可能ではないが、現実問題としてはこのような大きな光学系を置くスペ

Diagonal for
extraction of
OTR

ースは入射部にはないであろうから、もう

Aluminum
foil target

少しコンパクトに設計する必要があろう。
ここでは光学系の入射瞳を 200mm 程度として話を進める。このような大口径の結像
光学系についてはレンズ系で設計するのはe‑Spherical
convex mirror

不経済なので、反射光学系を基本として多Non-sphericalconcave

少の補正レンズを加えるのが経済的である。
特に強度が弱い場合にはスペクトル幅を制限して色収差を減じるわけにはいかないので、色収差がない反射系を採用するのが有利である。また、OTR は光軸上の近傍には放射されないので、前のセクションで述べたような取り出し方をすると、光軸上に副鏡を置く反射光学系を用いても穴あきダイ

図２−４OTR 用大口径カタディオプトリ

アゴナルの穴径をスケールした穴径と同じック結像系の概略。

径の副鏡に設計すれば、強度の損失はない。
真空外に OTR を取り出した直後に反射光

この図では単純な 3 枚組みの補正レンズを学系による結像光学系を置くとして、単純入れる設計である。このような大口径な結な深い(曲率半径の短い)穴あき凹面鏡と凸像系では回折限界のシャープな像を得るこ面鏡からなるシステムを考える。光軸上だとは困難であるが、電子銃を出たての場所

けの収差であれば、2 枚の凹面鏡は球面をでは空間分解能として 100µm もあればよ用いたとしてもアプラナート(球面収差といので、実用的には問題はないであろう。

コマ収差を取り除いたシステム)にするこ

このようなシステムでは、光線追跡によるとは可能であるが、大きいほうの凹面鏡を設計に出来るだけ実物を近づけるためにマ非球面とした方が 2 枚の鏡を組み合わせた

ウンティングの設計が非常に重要である。

§３、強度干渉計によるバンチ長の測定

ルスの測定では非線形結晶により second
harmonics (SH) を発生させて自己相関を取る相関計(correlatometer)が標準的な測電子加速器においてバンチ長などの時間定法として使われているが[15]、光の発生構造を調べるのには、放射光、遷移放射時に増幅機構のない通常の放射光、または(Optical transition radiation, OTR)などを

OTR では光子多重度が低すぎるので(低い光源にしてストリークカメラを用いるのがというよりは波束 1 つにつき励起されてい比較的便利である。特にシングルショット

る光子は 1 個以上であることはまれであで測定できる方法は他にはあまりないので、る)SH 光の発生効率が実用的ではない。そストリークカメラによる測定法が広く使わ

こで、一次インコヒーレントな光の２次のれている。ストリークカメラの時間分解能

干渉性を利用した強度干渉計[16]によりパはストリークチューブ内の空間電荷効果な

ルス長を測定するのが次なる方法であろう。

どにより制限を受けるが、現在では最速のもので公称 200fs 分解能というのがある。

§３−１ 強度干渉計

しかしながらこの分解能のカメラは取り扱いが難しく、容易なことでは真価を発揮す

強度干渉計によって光パルスの長さを計る

ることは望めない。また 100fs 程度までバには、先ず半透明鏡によって光パルスを２ンチ圧縮することを目指す ERL では分解つの光束に分けることから始める。図３−

能が追いつかない。フェムト秒領域の光パ

１に強度干渉計によって光パルスの長さを

ルスの長さを計る方法として、レーザーパ

計るためのセットアップを示す。

2 independent
photons

図３−１強度干渉計による光パルス長測定のセットアップここで、C(t)はσp のパルス幅(バンチ長)を持

EA

Corner-cube

つパルスエンヴェロープを与え、A(t) はτcの コ ヒ ー レ ン ト 長 を も つ stationary

E2
EB

D2

random variable（平たく言うと波束）である(図３−３)。

Beam splitter

E1

σp のパルス幅(バンチ長)を持つパ

D1

ルスエンヴェロープ C(t)図３−２ マイケルソンタイプ強度干渉計
図３−１に示した全体のセットアップの中からマイケルソンタイプの強度干渉計の部

τc の コ ヒ ー レ ン ト 長 を も つ

分だけを抜き出したものを図３−２に示す。

stationary random variable A(t)ここで detector D1 と detector D2 に入る
光のフィールド E1、E2 は光子 A のフィー

図３−３

ルドを EA、光子 B のフィールドを EB とす

パルスエンヴェロープ C(t) と、τc のコヒーると次の式で与えられる。

レント長をもつE 1 (t) =T ⋅ E A (t ) + i R ⋅ E B (t + δτ )E 2 (t) =T ⋅ E B (t + δτ ) + i R ⋅ E A (t ) .

variable

σp のパルス幅(バンチ長)を持つ
stationary random

A(t)からなるオプティカルパル

ス。

この式で T は半透明鏡の透過率、R は反射

こ こ で 簡 単 の た め に C(t),A(t) の 両 方 が率である。また、cδτ/2は光路のスキャンを

Gauss 型であるとし、入力光子のフィールするためのコーナーキューブのストローク

ド EA,EB は一次時間コヒーレントであるとである。detector D1 と detector D2 の同仮定すると、detector D1,D2 の同時計測

時計数 Count12(δτ)は E1,E2 を用いてCount12 は次のようになる。

Count 12 ( δτ ) = K

Tm
Tr
2
2
dt
d τ 〈 E 1∗ t E 2 ∗ t + τ
Tm
Tr
−
−
2
2

∫

∫

()

(

× E 2 (t + τ )E 1 (t ) 〉 ,count12 (δτ ) = Kσ p ×
2

)

⎡ 1
2
2 ⎞ ⎞⎤⎛⎛⎞⎛⎢1 − exp⎜ − δτ ⎟ + τ * ⎜1 − 1 exp⎜ − δτ ⎟ ⎟⎥⎜ 4τ 2 ⎟ σ ⎜⎜ 4σ 2 ⎟ ⎟⎥
2
⎢ 2
c ⎠
p
⎝
p ⎠⎠
⎝
⎝
⎣
⎦

で与えられる。ここで K は規格化ファクタ

1

ー、Tｒは detector の rise time であり、Tm

∗2

τ

=

1
σp

2

+

1
τc 2

.

は計測時間である。さて、入力光のフィー
ルド EA,EB を次のように現す。

E A ( t ) = C A (t )A A (t )E B ( t ) = C A (t )A A (t ) .

右辺大カッコの中の第２項は波束の相関項
で EA,EB が一次時間コヒーレントであることに由来する。第３項はパルスエンベロー

図３−４ ガウス型の C(t),A(t)による同時計数波形。σp≥στであるので、波束の相関波形は左側の図のように中心にディップとして出る。右側の図は EA,EB が一次時間インコヒーレントな場合。
プの相関項を含む項であるである。EA,EB

ョンした図を図３−４に示す。

が一次時間インコヒーレントな場合については波束の相関項が消えて、同時計数は

§ ３−２

⎛
⎞
τ* ⎡ 1 ⎛⎜ δτ2 ⎞⎟⎤ ⎟⎢1 − exp −⎥ ,Count12 (δτ) = Kσ p ⎜1 +⎜ σp ⎢ 2 ⎜ 4σp 2 ⎟⎥ ⎟⎟
⎠⎦ ⎠
⎝
⎣
⎝

計のデザイン

で与えられる。

くてもパルスエンヴェロープの自己相関がEA,EB が一次時間インコヒーレントであっ測定できるという話であるが、入力光子はても同時計数はコーナーキューブによる時

空間的にはコヒーレントであることが暗黙

間スキャンδτ がゼロになるところを中心とに仮定されているので、実際に強度干渉計

したパルスエンヴェロープの自己相関の形

でパルス長を測定するには図３−１のセッに減少する。したがって、入力光が一次イ

トアップの前に一次空間コヒーレンス度をンコヒーレントな場合でも強度干渉計によ高くするために、ピンホールによる空間フる同時計数から光パルスの自己相関を得る

ィルターを置く必要がある。また、パルスができる。同時計数の波形をシミュレーシ

エンヴェロープの相関項の前にτ∗/σp≈τc/σp

入力光学系と実用的な強度干渉2⎜

上記の理論は一次時間コヒーレンスがな

Polarizing prism
Incident SR

Spatial filter

Band-pass filter∆λ:1nmTo
interferometer

Collimating lenses

Collimating lens

図３−５強度干渉計のための入力光学系

(σp»τc)なる項が掛かっているので、パルス長に対して波束の長さが極端に短くならな

1.02
1

いように、狭帯域のバンドパスフィルターなどを用いて単色化する必要がある。このための入力光学系のセットアップを図３−

0.98
0.96

５に示す。図３−１の光学配置にある２つのビームスプリッターは実際のセットアップでは１個のビームスプリッターに光路を

0.94
0.92

複数通すことで済ませることが出来る。実用的な強度干渉計のセットアップを図３−
６に示す。

0.9

0

20

40

60

80

100

Corner-Cube Displacement (mm)Corner-cube c1
Corner-cube

Incident beam

図３−７ 強度干渉計により PF でパルス相関波形を観測した結果。

displacement
Beam splitterにストリークカメラを用いた測定では16.5mm の結果を得ているので、両者の結果はよく一致している。

PM1
Corner-cube c2§３−４ 強度干渉計の時間分解能
PM2

強度干渉計による短パルスの測定限界は、波束の長さで決まる。この方法では波束の

図３−６

実用的な強度干渉計によるバンチ長測定のセットアップ。

長さを超えて短い長さを測ることはできない。しかしながら光パルスは図３−３にもイラストレーションで示したようにパルス§３−３ PF における強度干渉計を用いエンヴェロープは、常に必ず波束の長さよたバンチ長測定りも長いか極限的には同じか(フーリエリ
ミットパルス)であるから、この方法によれこのシステムを用いて PF でバンチ長をば、いつもパルスエンヴェロープの長さよ

実際に測定した結果[17]を図３−７に示す。

りも高いか同じ分解での測定が出来ること

この図では平均強度を１に規格化してプロになる。ごく短いパルス長を計る場合は、ットしてある。図中に実線で示したのは上

実用的には光学部品のガラスによる分散の述の同時計数の式を最小二乗法でフィット効果により波束がチャープされて、元のパしたものである。これよりバンチ長としてルスよりも長さが伸びてしまう可能性があ

16.8±0.6mm の結果を得た。このとき同時ることに注意する必要がある。

§4、コロナグラフによるビームハローの観測めに検討が続けられてきた。現在、提案されているのは、主にワイヤースキャナーによる電気的な測定法によるものであるが、ERL における大きな問題点の一つとしγ 線を測定する方法、二次電子放出を測定すて、ビームロスをいかにして蓄積リング並る方法も共に、10-5 のダイナミックレンジ

みのレベルに抑えるかということがある。

を達成するのがやっとといった程度である。

通常の電子蓄積リングでは電子ビームのプ

これに対し、KEK では PF でコロナグラフ

ロファイルは大まかには Gauss 的であり、による光学的測定法を用いてビームハロー

残留ガスによる non-Gaussian tail を考慮を測定する手段が開発され、2 x 10-6 の微弱に入れたとしても、ビームの周囲に広がるなビームハローを観測することに成功してハローは通常十分に弱い。しかしながら線いる。本節ではコロナグラフの原理を解説

形加速器である ERL においてはこういうし、PF における測定結果についても紹介す

わけには行かず、いかにしてビームハロー

る。

をコントロールしてビームロスを蓄積リン
グ並みに小さく出来るかが実用化における§4‑1、通常の望遠鏡でビームハローを観測成否の鍵の一つである。このために ERL でできるか？

はビームハローの分布を高精度で測定する

通常のケプラー式の望遠鏡により対物レ

ことが強く求められている。現在までの検ンズの焦点面に不透明な遮蔽板を挿入して、討結果ではビーム分布の中心強度に対して中心ビームの周りに広がるビームハローが観

10-7 の強度をもつビームハローを測定する

測できるかどうか検討してみる。図４－１にケプことが求められており、これを実現するた

ラー式望遠鏡の光学系のセットアップを示す。

Magnifier lensObjective lens

図４−１

Opaque disk to block glare ofcentral image

通常のケプラー式の望遠鏡の焦点面に Opaque disk(不透明な遮蔽板)を挿入して中心ビームを隠すシステム。

Convolution between diffraction
fringes and beam profile

Convolution between diffraction
fringes and beam profile

(a)
図４−２

Gaussian beam profile

Gaussian beam profile Diffraction fringes

Diffraction fringes(b)(a) ケプラー式の望遠鏡における対物レンズの回折光(b)ビーム中心の輝きを遮蔽しても微弱なハローは回折光に埋もれて観測できない。
このような望遠鏡でビーム中心の輝きを遮§４−２ Lyot のコロナグラフ

蔽しても中心像の周りには図４−２(a)に示

そこでフランスの B.F. Lyot は太陽の光球

すように対物レンズによる 10-2 程度の強度強度に対して 10-６程度の微弱な太陽コロナを持つ回折光が存在しているので、ビームを日食を待たずして観測するために再回折

中心の輝きを隠したとしても、図４−２(b)光学系を組み込んで対物レンズによる回折に示すように、回折光よりも弱いビームハ

光を取り除く特殊な望遠鏡を発明した[18]。

ローは埋もれてしまうので観測することは

図４−３に Lyot により発明されたコロナできない。

グラフの光学系の配置を示す。
Anti-reflection disk
Field lens

Relay lensBaffle plate (Lyot stop)
Objective lensOpaque disk

Baffle plates to reducereflection
図４−３ Lyot により発明されたコロナグラフの光学系の配置。対物レンズの焦点面に形成される回折光はフィールドレンズによりもう一度回折されて Lyot stop で取り除かれる。

Lyot のコロナグラフでは対物レンズでオブジェクト(我々の場合はビーム)の像を作って、不透明な遮蔽板で隠すところまでは通常のケプラー式の望遠鏡と同じであるが、
ξ1

コロナグラフでは図４−３に示すように、

ξ2

遮蔽板の直後にフィールドレンズを置くところが味噌である。この部分について通常のケプラー式の望遠鏡と多少異なる点は、望遠鏡の鏡筒内の散乱を少なくするためにバッフルプレート（絞り板）が多数挿入されている点である。フィールドレンズの幾

図４−５フィールドレンズの入射瞳

何光学的な役割は、後方（Lyot stop の場所に）に対物レンズの実像を作ることである

で与えられる。F( r )に対物レンズの回折光

が、波動光学的にはフィールドレンズに入の Disturbance を代入してフィールドレン

射する光が、その入射瞳により回折を受けズの焦点面の強度分布をシミュレーション

ることが重要である。全体の構成としは、した一例を図４−６に示す。

対物レンズの入射瞳に入射した光が回折をGeometrical image of theaperture of objective lens

受けその後、フィールドレンズの入射瞳に入射するわけであるが、このフィールドレ
ンズの入射瞳により再び光が回折されるので、フィールドレンズの部分を波動光学的に再回折光学系と呼んでいる。このように
2 回の回折を受けた光がフィールドレンズの焦点面にどのような強度分布を作るかを考えるには、対物レンズによる回折光を入射光とするフィールドレンズの入射瞳による回折を考える必要がある。フィールドレ
ンズの中心には遮蔽板による影の部分があ

図４−６

フィールドレンズの焦点面に出るので、フィールドレンズの入射瞳は図４

来る対物レンズの再回折像。

−５に示すようなドーナツ状の瞳となる。
そこで、このフィールドレンズの入射瞳に

図４−６から判るようにフィールドレンズ

入射される光の disturbance を F(ξ)とする

により再回折を受けた光はフィールドレンと、フィールドレンズの焦点面の強度分布

ズにより形成された対物レンズの実像、すuは

なわち対物レンズの外周の幾何光学像の回

u (x ) =ξ2
1⎧ i⋅2⋅π⋅ x ⋅ξ⎫F(ξ) exp⎨−⎬dξ∫i ⋅ λ ⋅ f ξ1
λ⋅f⎩⎭

りにフリンジを形成する。このようなフリンジが出ることは対物レンズの回折像の中

心部(0 次の回折像)を遮蔽板でさえぎった

Opaque disk

ときの特有の現象である。このような回折像の一部を故意にさえぎって空間周波数のField lens

Lyot stop

スペクトルを変える入射光の位相の変化を明暗として検出することが出来るの（この場合対物レンズの外周）で、このような方法を一般的にシュリーレン法と呼び、対物
レンズの実像の外周の輝いたフリンジをシ

Objective lensOpaque disk

Re-diffraction
ReRe-diffraction
optics system

optical system(a)はレンズなどの焦点面をナイフエッジで遮って、レンズ、凹面鏡などの球面からの位
相のエラー(たとえば非球面度の測定)の測

Opaque disk
Function of the field lens :make a image of objective
lens aperture onto Lyot
stopュリーレン像とよぶ。このシュリーレン法

定法として広く用いられている。コロナグ
ラフの中ではでは図４−７に示すように、
Field lens

Lyot stop

このシュリーレン法を巧みに利用して、対物レンズの焦点面に出来る回折像( a )の中
心部（0 次）の部分を不透明な遮蔽板(Opaq
によりさえぎってフィールドレンズに入射し、対物レンズのシュリーレン像を作る( b)。

Objective lensOpaque disk

Re-diffraction
ReRe-diffraction
optics system

optical system(b)

このシュリーレン像を絞り板により遮ることにより対物レンズによる回折光を取り除く（b）,( c )。その後、リレーレンズをおいOpaque diskて対物レンズによる実像を最終段に転送す

Function of the field lens :make a image of objective
lens aperture onto Lyotstop

ると( c )コロナグラフの出来上がりであり、対物レンズの回折フリンジに覆い隠された
Field lens

Blocking diffraction fringe by

Lyot stop

ハローがあたかも日食のときのコロナのように観測できるわけである。対物レンズのシュリーレン像を取り除くための絞り板はLyot の名前を冠して Lyot stop と呼ばれている。このようなコロナグラフでどこまで

Objective lensOpaque disk

Re-diffraction
ReRe-diffraction
optics system

optical system(c)

暗い周辺のハローが観測できるかは、原理
的には対物レンズのシュリーレン像をどこまで遮るかによるが、10-7 の感度をえることは可能である。原理的にはこのような高

図４−７ 再回折光学系の役割

い感度を得ることができるが、実用的には対物レンズの研磨過程で出来るキズ、砂穴などによる散乱光が同様のシュリーレン像
として視野に入ってくるので、これを取り除くことは出来ない。そこで、いかに散乱の少ない対物レンズを作れるかがコロナグ
ラフの出来、不出来を大きく左右することになる[19]。とはいえ、このための特殊な研磨法が特にあるわけでもないので、ひたすら良く研磨して、キズ、砂穴を極力少なくすることが大切である。図 4−８ ( a )にありふれた光学研磨 S & D(スクラッチとデ

図４−１０ 対物レンズ

ィグ)60/40 のガラス表面を暗視野照明法により撮影したものを示す。表面に多数残っている砂穴により照明した光が散乱されている様子が見て取れる。同様の方法でコロ
ナグラフ用に研磨した対物レンズの表面を検査した結果を(b)に示す。

図４−１１コロナグラフの外観
図 4−10 に対物レンズの写真を図１１にコロナグラフの外観をそれぞれ示す。対物レ
5mm

(a)

ンズは平凸の単レンズで焦点距離は2000mm である。対物レンズの中心部の黒い丸は、遮蔽板からの反射光のレンズ裏面
による反射を防ぐための反射防止板が貼ってあるものである。最終段でハローを観測するには高速ゲート II カメラを用いている。
高速ゲートにより、連続から 3nsec までの
高速シャッターを切ることができる。

5mm

(b)

§４−３ PF におけるビームハローの観測
このコロナグラフによって PF リングで観図４−８ 通常の S &D60/40 の研磨面(a)測したビームハローを図４−１２に示すとコロナグラフ用の研磨面(b)。

[19][20]。光源点は PF の BL27 の偏向電磁図４−１２コロナグラフによって PF

図４−１３遮蔽板を除いてビーム中心で観測したビームハローの画像の像を観測したもの。

石である。中心に遮蔽板が黒い円盤とし写る。図４−１２と１３において横方向の倍っており（下方に延びる棒状の影はサポー

率は同じにとってあるが、強度方向のスケト）、その周辺に水平方向に広がるビームハールは 4−12 図の方が 4−13 図よりも 104

ローが観測されている。また図４−１３に倍拡大してある。言い換えればビームハロ

遮蔽板を除いて中心のビームの像を撮影しーの画像の強度はビーム中心のピーク強度

たものを示す。これは通常の望遠鏡で観測に対して 1 万分の 1 程度である。図４−１

されるビームプロファイルと同じものであ３に PF のシングルバンチ運転時に観測し

図４−１３ビームハローのリング電流依存性

たビームハローの電流依存性の結果を示す。

１３の 65.8mA の場合に、中心ビームの遮

この図を見ると、ビームハローはリング電蔽板をさらに大きくして、ビームの中心近流の増大と共に強くなるのみならず、二次傍の強いハローを隠し、II カメラの露出時

元的な分布も変化しているのがわかる。

間を増やして、さらに外側に広がる微弱なハローの観測を試みた。結果を図 4−14 に§４−４コロナグラフでどこまで弱いビー示す。ビーム外延部に広がる中心強度に対ムハローが観測できるか。

して 2 x 10-6 程度の微弱なハローが観測さコロナグラフによりどこまで弱いビームれており、このときのバックグラウンドレ

ハローが観測可能かを調べるために図４−

ベルは 6 x 10-7 であった。このバックグラ
ウンドレベルは使用した BL27 に可視光の放射光を取り出すために挿入されているベリリウム製のミラーからの散乱光が主で、コロナグラフそのもののバックグラウンドはもう少し低いようである。これらの結果
より、コロナグラフを用いてビーム分布の中心強度に対して 10-7 の強度をもつビーム
ハローを測定するという要求には答えられ(a)６８．５ｍA

矢印の先の場所での強そうである。

度はビーム中心強度に対して 2 x 10-4 である。露出時間は 3msec。

§４−５最近のコロナグラフにおける新たな展開
Lyot の天才的な発明になる古典的なコロ
ナグラフは発明以来太陽コロナの研究に大活躍しているが、最近太陽系外惑星の研究
で、新たなる展開が巻き起こっている。クラシックコロナグラフの概念を拡張して、恒星の回りに存在しているかもしれない惑
星系を探査しようというのがその動きである。自ら発光しない惑星系の検出には恒星(b)ビーム近傍の強いハローをさらに隠したもの。露出時間は 100msec。矢印の先の強度はビーム中心に対して 2 x 10-6 である。また、バックグラウンドのレベルは 6
x 10-7 であった。

の強度に対して 10-10 のコントラストの達成が必要といわれており、これに向けて新
たなアイデアからなるコロナグラフの開発
が 進 ん で い る 。 Null-interferometriccoronagraph といわれているシステムがそれで、日本ではナル干渉型コロナグラフと

図４−１４外延部に広がるハローの観測呼んでいる。いくつかのスタイルのものが研究されているが、基本的にはほぼ完全ないう意味ではレーザーも加速器技術になく空間コヒーレントな恒星の光を 2 分割しててはならないものとなりつつある。最近で干渉させて消してしまおうというものであは光学的手法と電気的手法を組み合わせたる[21]。恒星の周りに広がって存在するでOpto-electric sampling の手法も応用されあろう惑星系は空間コヒーレントな光源でている。ERL をはじめとする先端的加速器はないから、消えないで残るという寸法での開発のなかで光学技術の果たす役割はまある。ERL で可視光の波長領域で、ほぼ完すます増えつつあり、今後の発展が大いに全な空間コヒーレントな光源が実現されれ楽しみである。10 年後に OHO の加速器セ

ば、このような新しい原理のコロナグラフ

ミナーが続いているとすると（そのようにも役に立つようになるかもしれない。

祈っているが）、そのときビーム計測について書く人はどんな内容を書くのであろう

終わりに

か？

ERL におけるビーム計測ということで、

参考文献

概要と光学的計測法からトピックスを三つ紹介した。KEK ではコンパクト ERL を現
在、開発研究中であるので、ビーム計測の[1] I. Frank and V. Ginzburg,J. Phys.

概要についてのまとめを心がけたが、いかUSSR 9, 353 (1945).

んせん開発研究中のものであるので、中途[2] L.C.L. Yuan, C. L. Wang, and H. Uto,

半端なものになってしまったことを最後に

Phys. Rev. Lett. 25, 1513, (1970).

お詫びしたい。電気的なモニターに関して[3] M.C. Ross et al., Proc. 18th Int. Linac

は概要の最後のところで触れたように、飛Conf. (1996).

山真氏の稿が別に本教科書の中に書かれて[4] T. Shintake, NIM, A311, 453 (1992).

いるので、そちらをご覧いただきたい。光

[5] M. Tobiyama, et al. Proc. BIW08

学的モニターに関しては ERL に特化した(2008).

ものということで、OTR 以外の 2 つのトピ

[6] T. Mitsuhashi, Proceedings of BIW04

ックスに関しては加速器の分野から見ると(2004).

全然なじみのないものであろう。著者がビ[7] T. Shintake, Proc. HEAC98, 133

ーム計測を始めた頃は光学的なモニターと(1998).

いえば、精々加速器のなかを、望遠鏡で覗[8] I.Wilke, et al., Phys. Rev. Lett., 88,

いてみる程度のモニターしかなかったが、124801 (2002).

現在ではこの項で紹介したように、光学分[9] 平松成範、「加速器のビームモニター」

野でも比較的珍しい測定器までもが加速器

KEK internal 2004-4 (2004).

のビーム計測に持ち込まれている。強度干[10] Mitsuhashi, "Beam profile and size

渉計やコロナグラフなどというものは光学

measurement by SR interferometer" in "Beamの教科書をひっくり返してもほとんど載っ

measurement" ed. by S-i. Kurokawa et al.,ていないような機器である。光学の応用とWorld Scientific, p.399-427 (1999).

[11] 三橋利行、「放射光の空間干渉性とその微小ビームサイズ測定への応用」高エネル
ギーニュース、Vol.18, No.6, p.167 (2000).
[12] 池田ひとみ

Oho’04 加速器セミナー

教科書[13] J. Bosser, J. Mann, G. Ferioli, and L.
Wartski, NIM, A238, p45 (1985).
[14] L. Wartski, S. Roland, J. Lasalle, M.
Bolore, and G. Filippi, J. Appl. Phys.
Vol46, No.8, p3644 (1975).
[15] C. Rulliere (Ed.),”Femtosecond Laser
Pulses”,p185, (1998), Springer.
[16] ] Y. Miyamoto, T. Kuga, M. Baba, and
M. Matsuoka, Opt. Lett., 18,900 (1993).
[17] T. Mitsuhashi and M. Tadano, Proc.
EPAC02, p.1936 (2002).
[18] B.F.Lyot Month. Notice Roy. Ast. Soc, p580,
99 (1939).

[19] T. Mitsuhashi, Proc. EPAC04, p.2655(2004).
[20] T. Mitsuhashi, Proc. DIPAC05, p.7 (2005).
[21] 次期赤外線天文衛星ワーキンググル
ープ、SPICA ミッション提案書第２版 ５
章３節「ステラコロナグラフ観測装置」(2007).

補遺 ERL におけるモニターの一覧
Injector

Location

Monitor typeresolution

After Gun

Low-γ OTR

50µm

profileAfter buncher

Fluorescence Screen

50µm

profileBPM strip line

100µm

position

OTR

20µm

profileFluorescence Screen

50µm

profileSlit scanner

Width 20µm

profileWire scanner

Diameter 20µm

profileLaser wire

Diameter 20-100µm

profileBPM glass insulator

100µm/5µm

position

Monitor typeresolution

OTR or

20µm

profileBPM

100µm./5µm

position

Monitor typeresolution

Fluorescence screen

20µm

After cavity

MergerLocation

Fluorescence screen

Diagnostics
Beam line

profileBunch by bunch

BPM glass insulator

position
BPM cavity type0.1µm

Slit scanner,

Precise position
Profile, emittancepepper pod
Laser wire

profilestraight 1

Location

Monitor typeresolution

Cryomodule

Both end of

BPM glass insulator

100µm

cavityBunch by bunch
positionQ-magnet

BPM strip line

3µm

position

Entrance of

Bunch arrival monitor

100fs

timingBunch arrival monitor

100fs

timingsectionEnd of section

Arc1

location

Monitor typeresolution

Q-magnet

BPM strip line or

20µm

Positionglass insulator

0.3µm

Low-β section

OTR/Fluorescence screen

20µm

profileBending

SR monitor

magnet

SR interferometry

0.6µm

Beam size

Streak camera

3ps/600fs/200fs

Longitudinal
profileIntensity interferometry

10fs

Bunch length

Coronagraph

100µm

Beam HaloBPMSR

50µm/10µrad

Phase spaceposition

Arc2

location

Monitor typeresolution

Q-magnet

BPM strip line

3µm

Positioncavity0.3µm

Low-β section

OTR/Fluorescence screen

20µm

profileBending

SR monitor

0.6µm

Beam size

magnet

SR interferometry
3ps/600fs/200fs

Longitudinal

Streak camera

profileIntensity interferometry

10fs

Bunch length

Coronagraph

100µm

Halo

BPMSR

50µm/10µrad

Phase spaceposition

End of arc2

Bunch arrival monitor

100fs

timingStraight2

location

Undulator

Monitor typeresolution

OTR/Fluorescence screen

100µm

profileBPM glass insulator

100µm

Bunch by bunch
position

Both end of

BPM cavity type0.1µm

position

Bunch arrival monitor

100fs

timingOpto-electric bunch

20fs

Single passundulator
Entrance ofsectionlength monitor

Dump line

Miscellaneousbunch length

location

Monitor typeresolution

Q-magnet

BPM strip line

100µm

position

Fluorescence screen

100µm

Profile, position

location

Monitor typeresolution

Injector and dump

Differential

<20µA

line

DCCT

Straight section

DCCT

20µA

DC current

Straight section

Wall current

0.1mA

Bunch by bunchmonitorRise time 200ps

current

Current
difference