Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

ATF Status Report 2010
高エネルギー加速器研究機構 ATF グループ
ATF International Collaboration

Abstract
Accelerator Test Facility (ATF) in KEK is a research center for studies on issues concerning the injector, damping
ring, and beam delivery system for the ILC. The ATF damping ring reduces the vertical emittance of the beam down to
4 pm·rad. ATF2 is a final-focus test beam line that aims to focus the low emittance beam from the ATF damping ring toa vertical size of about 37 nm and to demonstrate the nanometer level beam stability, using numerous advanced beamdiagnostics and feedback tools. These tools have been developed through R&D at the ATF, and applied for the ATF2
beam line. Further improvements will be continued in parallel to the commissioning of the nanometer beam focus. A
large number of accelerator scientists from SLAC, LBNL, FNAL, Oxford University, DESY, CERN, UCL, LLNL,IHEP, PAL, RHUL and other institutions participated in research programs at the ATF/ATF2.

ATF(Accelerator Test Facility)の現状
1.

はじめに

2.

運転状況

KEK における ATF （先端加速器試験装置）では、ATF での多岐に渡る研究開発には、国内外の大学国際リニアコライダー(ILC)計画など将来の加速器で および研究機関が精力的に参加している（図２）。
必要とされるビーム計測技術およびビーム制御技術 海外からの共同研究者は、年間で延べ 2000 人・日の開発を行っている。ATF はマルチバンチビーム生 に達している。学生など若手研究者も多く、国際的成を行う photocathode RF gun、1.3GeV S-band Linac、 な研究交流を通し、互いに刺激し合う貴重な経験を低エミッタンスビームに変換するダンピングリング、 得られる場でもある。
さらにそのビームを利用し ILC 最終収束システムの開発試験を行う ATF2 ビームラインから構成されている（図１）。ダンピングリングでは BPM 読み出し系の高度化により、垂直エミッタンス 2 pm を目指す取り組みが始まった。ナノ秒の立ち上がりを有する高速キッカー開発では 10-4 台の安定度を実現し、さらに 308 ns 間隔でのマルチバンチビーム取り出しの 開 発 が 進 め ら れ て い る 。 ATF2 ビ ー ム ラ イ ン のcommissioning はビーム診断装置の開発調整と平行して行われており、現在までに仮想衝突点において垂直方向ビームサイズ 300nm(RMS)に達した。今年度をめどに 37nm の極小ビームの実現を目指し、その後、ナノメートルレベルのビーム制御技術開発に移行する計画である。これら以外にも Pulsed laser wire,OTR monitor、Optical cavity による偏極陽電子源開発
図２： ATF Internal Collaboration 参加機関などが精力的に行われている。本学会では最近の活ATF 加速器の運転は年間で約 21 週間である。夏
動状況を報告する。
期と年末年始の停止を除き、2~3 週間のビーム運転後に 1 週間の保守期間を設け、それを繰り返す。先端加速器技術開発を目的としている ATF にとって、この保守期間は、ビームラインでの装置の導入・改善の為に必須であり、結果として、ビーム時間を効率よく維持することにも寄与している。図３に最近のビーム時間使用実績を示す。ナノメートルビーム技術開発の ATF2 に関わる R&D が６割を占めているが、それ以外にも様々な加速器技術開発が行われている。
図１： ATF 構成と最近の開発研究____________________________________________#

nobuhiro.terunuma@kek.jp-33-

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は最終的な第三のモードでの 37nm の実現・測定を目指す。

図３：ビーム使用実績

3.

図５：レーザー干渉縞型ビームサイズモニター
3.2

主な開発研究の状況

ナノ秒高速パルスキッカー (Fast Kicker)

ATF で開発されてきた立ち上がり 3ns の高速キッカーを用いて、リングからのビーム取り出し実証試
験を行っている。取り出したビームが他の R&D で利用できるようになるまでは、年間で数回の専用期間を設定し、その都度、damping ring 内でビーム取り出しキッカーを入れ替えることになる。昨年 10月に Fast Kicker による Single bunch 取り出しに成功した。Single bunch 取り出しで測定したキック角安定度は、従来の Double Kicker と同程度の 10-4 台であることを確認した[3]。Multi bunch 取り出しシステムも平行して開発が進められており、本年６月には308ns 間隔で最大 30 バンチの取り出しに成功した（図６）。現在は Fast kicker システムを恒久的にビームラインに設置し、ATF2 開発研究で利用できるようにタイミングシステムや高速パルサーの改造・安定化を進めている。

3.1	  ILC 最終収束システムの開発試験 (ATF2)
ATF2 ビームラインには、今まで ATF で開発してきたビーム診断装置が多く設置されている[1]。BPMには、Prototype で 16nm 分解能を実現した空洞型BPM(Cavity BPM)が採用されている。この実践的運用も R&D の一部であり、最終収束ビームラインの調整と共に改善・調整を進めてきた。ATF2 ビームラインに仮定された BPM 分解能は ILC でのシステム運用を想定した 100nm である。いくつかの BPM
では信号伝送系の改善が必要であるが、現在までに実ビームで 20nm 分解能を確認している。仮想衝突点での位置変動測定や feedback のために 2nm 分解能 Cavity BPM(IP-BPM)の開発も平行して進められている。現在は読み出し回路開発に重点を置き ATF2ビームライン上で試験を行っている。
仮想衝突点のビームサイズ測定は、レーザー干渉縞を利用したモニター(IP-BSM)で行う。昨年秋に干渉縞でのビームサイズ測定に成功し、ビーム調整状況に合わせてシステムの整備を進めてきた。今年の5 月には一週間連続の ATF2 ビーム調整専用の加速器運転を行い[2]、垂直ビームサイズ 300 nm に達したことを確認した（図４、５）。

図４： ATF2 調整方法と垂直ビームサイズの変移干渉縞のピッチで測定できるビームサイズの範囲が制限されており、ビーム調整状況に応じてレーザーの交差角モード（３種）を切り替える必要がある。今回の連続運転では 300nm までのビーム調整であったため、第一から第二のモードに切り替え、測定の整合性を確認した段階である。秋からの運転で

図６： Fast Kicker によるマルチバンチ取りだし
3.3	  Intra-train 高速フィードバック開発 (FONT)ATF2 で予定されているナノメートルレベルでのビーム位置調整技術の開発で鍵となる高速フィード-34-

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バック技術開発が行われている。これは ILC 衝突点 3.5 低エミッタンスビーム開発におけるマルチバンチのフィードバック技術開発でATF damping ring では 2003 年に垂直エミッタンスもある。先頭バンチ位置情報により、後続バンチを 4pm を実現し、当時の LC 設計値を達成した。その140ns 以下の高速で補正することを目指している。 後、超伝導 ILC 計画となり、設計値は 2pm になっ
ATF2 ビームライン上流に試験装置があり、通常の た。ATF でこのエミッタンスを実現し、安定化の調パルスキッカー運用時に、同一パルスで取り出され 査研究をすることが期待されている。そのためには、る 154ns 間隔の３バンチを用いて開発試験している ビーム調整のために damping ring の BPM 分解能を 1[4]。（最終的には前述の Fast Kicker で取り出される um 以下にする必要があり、読み出し系の開発が行
multi bunch で開発試験を行う。）
わ れ て き た 。 こ の シ ス テ ム で は 高 分 解 能 Narrow
先頭バンチ位置を検出して後続バンチを補正（蹴 band mode での測定と、turn by turn での位置測定をる）までの latency は 133ns を実現している。図７に 行うことができ、多様なビーム軌道診断が期待され最新の結果を示す。feedback 無しで３バンチとも る。本年５月に、全 96BPM システムの更新が完了
2um の jitter であるが、feedback で第２第３バンチの し、調整中である（図 9 ）。
jitter が 0.4, 0.8um に改善されている。このビームが仮想衝突点まで（理想的に）転送されるとした場合、衝突点でのジッターが 15um から 3um に軽減されると期待される。実際は、ビームラインでの床振動などの影響を受けるため、ナノメートルでの位置安定化技術開発では、（１）リングから取り出したビームを、現システムを用いて ATF2 入射前に補正、（２）仮想衝突点では高分解能 IP-BPM を用いてfeedback を形成し、ATF2 ビームライン振動などの影響を補正することを想定している。
図 9 ： New BPM readout system for ATF-DR
3.5	  その他
Damping ring から取り出されたビームのエミッタ
ン ス を shot by shot で 測 定 す る た め の OpticalTransition Radiation (OTR) monitor、ILC 用 1um 分解
能 pulsed laser wire monitor、beam tilt monitor、さらには ILC main linac 用 Cavity BPM などの開発・ビーム試験も行われている。

4.

まとめ

ATF/ATF2 では ILC 技術開発を中心に様々な加速器技術開発を行っている。国内外の大学・研究機関から多くの研究者が参加しており、若手研究者の育成の面からも有意義な研究の場を提供している。今3.4	  偏極 γ 線生成のためのレーザー蓄積装置開発
ダンピングリング内にレーザー蓄積装置を設置し、 後は ATF2 での 37nm 極小ビームの実現や damping
Compton 散乱による偏極 γ 線生成試験を行っている。 ring での 2pm 低エミッタンスビームの実現など挑戦
これは偏極陽電子源の開発研究である。現在まで 2- 的な課題を国際協力体制の下で進めていく予定であ
mirror optical cavity によるレーザー蓄積装置を開発 る。
図 7 ： FONT feedback によるバンチ位置補正してきた。今後は、optical cavity としての acceptanceが大きく、高強度化が期待される 4-mirror system の試験を開始する[5]。

参考文献[1] N. Terunuma, Proceedings of IPAC10, WEZMH02.
[2] 奥 木 敏 行 ほ か 、 本 学 会 口 頭 発 表 WELH02, "ATF2
ビームラインのビーム調整"[3] 内藤 孝ほか、本学会ポスター発表 WEPS003, "高速キッカーによるビーム取り出しシステムの開発"[4] P. Burrows et al., Proceedings of IPAC10, MOPE074 andWEPEB044.
[5] Bonis J., et al., 本学会ポスター発表 THPS104, "偏極ガンマ線/陽電子生成のための 3d-4 mirror レーザー蓄積装置"

図 8 ： 4-mirror optical cavity system-35-