JLab-FELでのビーム損失に関する調査のまとめ
KEK 加速器研究施設 坂中章悟

2012/01/27 ERL検討会

FEL加速器の構成

JLAB-FEL加速器

赤外線FEL
主リニアック

各部でのビームエネルギー（参考）Eacc=120 MeV
Edec ~ 9 MeV
Eacc=120 MeV
Efe ~ 30-40 MeV

Steve Benson, Bob Legg
両氏に聞いた話をもとに記入

Eacc~ 92 MeV
Edec ~ 37 MeV
Eacc=9 MeV
Linac Cryomodules
E=25%

E=50%

Edec ~ 9 MeV

E=25%

Eacc=120 MeV
Efe ~ 30-30 MeV
Eacc=120 MeV

Eacc=120 MeV
Eacc=120 MeV
Efe ~ 30-40 MeV

各部でのビームエネルギー
Eacc : 加速されるビームのエネルギー
Edec : 減速されるビームのエネルギー
Efe : field emission 電子のエネルギー（典型値）

JLab-FELでのビーム損失の見積り
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JLab放射線責任者の Vashek Vylet氏らに話を聞いた。
実験室・電源室へ通じる貫通孔周辺の放射線遮蔽について、以前の検討資料が見あたらないものがあることが判った。このため貫通孔周辺への放射線遮蔽について、JLab放射線管理が再検討を行った。
検討結果をDraftのレポートにした： Vashek Vylet, “Radiation Safety
Assessment of Shielding Penetrations at FEL”, JLAB-TN-10-045,
April 20, 2011（出版前）。
遮蔽の前提となるビーム損失パターンは、Steven Benson 氏が提供した。
測定値、推定値などが入り交じったものの模様。

ビーム損失の表(参考文献) JLAB-TN-10-045,
draft (April 20, 2011), p.2 より引用.

ビーム損失の表（説明）(参考文献) JLAB-TN-10-045,
draft (April 20, 2011), p.2 より引用.

Expected beam loss pattern(1) ビームダンプ関係④ 10 MeV dump
② 調整用ダンプ
300 nA,120 MeV③可動ダンプ
300 nA, 120 MeV④ 10 MeV dump
Leakage: 10 A, 10 MeV

Cited from: JLAB-TN-10-045 (Draft), by Vashek Vylet, April 20, 2011

Expected beam loss pattern① Losses at sexupole
due to field emission
30 nA, ~ 40 MeV（文献の表には未記入。口頭で聞く）
減速ビームの損失が大きい。
ビーム損失量は不明。

⑦ UV line
30 nA, 120 MeV(2) ビームダンプ以外⑥ Backward field emission
30 nA, ~40 MeV(has local shielding)⑨ IR chicane
150 nA, 120 MeV⑧ UV wiggler
100 nA, 120 MeV* 上記以外に、パルスビームでの加速器調整中に beamviewer の位置で短時間 ～300 nA のビーム損失がある。
Cited from: JLAB-TN-10-045 (Draft), by Vashek Vylet, April 20, 2011

⑤ Losses at sextupoles
due to field emission (?)
100 nA, 40 MeV⑩ Part of this chicane is shielded,possible loss here up to 300 nA for 5 minutes
at most (300 nA, 120 MeV, for 5 minutes)

ビーム損失に関するコメント（１）Steve Benson氏
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ビーム損失には複数のソースがある：(1) 超伝導空洞からのfield emission, (2)ビーム調整中のロス（調整用ダンプ、スクリーン等）、など。
Field emission によるロスはアーク部の6極電磁石部で多い。エネルギーは30 40 MeVと推定（ベンドの磁場をスイープして測定したとのこと）。
主ビームダンプのラインでは、～μA 程度のロスの可能性がある。これはレーザー発振とは関係ない。可動ダンプはvery hotの時があるので注意。
色収差が積み重なると直線部（ビームダンプ手前など）でもchromaticityが発生し、そこでビーム損失することがあるので、少なくともsecond order までの色収差補正が必要である。
cERLでビーム損失を10 nAに抑えるのは難しいのではないか？100 nAなら可能性があるだろう。JLabでは調整中のビーム電流は約300 nA。
可動ダンプ（第２アークの後）はビーム調整の為に本質的。調整中のビームが主加速空洞に入るとアークディテクターが動作するなどの問題があり、空洞を痛める恐れもある。（別の、主リニアック延長線上のダンプは本質的ではない）。
コリメータを入れるなら、6次元位相空間で必要である。数μA以上のビームロスがあるとコリメータが溶ける恐れがあるので注意。Shielding と water-cooled
collimator が必要だろう。

ビーム損失に関するコメント（２）Bob Legg氏, Chris Tennant氏•

3台の空洞モジュールが設置されている。上流側から2台目のモジュールの後に残留放射線のスポットがある。減速ビームの一部がロスしているものと思われる。
→ (Chris Tennant) ビームロスの原因の推測。ビームのcore とhalo でtransverse
phase space でのマッチングが異なることがあり、core にマッチしたビームオプティクスではhaloに対してマッチングが取れない。このとき、ビームが減速されてantidampingを起こす時に halo が広がってロスすると思われる。
• 入射器空洞のモジュールは古く、field emission が大きい。合流用マグネット部でfield emissionによるビームロスが大きい。RF ON 時に 0.2 Sv/h との事（？）。
• ビームのtune-up の時には、平均電流 300 nA程度のパルスビームである。典型的な条件は、バンチ繰り返し 4.7 MHz, バンチ電荷 77 pC または 130 pC, マクロパルスの繰り返し 2 Hz, パルス幅 250 μs である• (Chris Tennant) FEL相互作用した後でビームのenergy spreadは10～15%広がるが、第２アークのR56 とRF位相の肩のに載せることで energy compression を行うので、減速後のenergy spread を小さくすることができる。energy compressionを重視するのでenergy recovery は完全ではない。（アークのenergy acceptanceは約±6%）

まとめ•
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JLab-FEL加速器におけるビーム損失について、Vaclav Vylet, Steve Benson,Bob Legg, Chris Tennant, Kevin Jordan の各氏から情報提供して頂いた。
まとまった文献としては、上部貫通孔での遮蔽を再検討した JLAB-TN-10-045 を頂いた。2011/4/20 作成のドラフトバージョンである。
ビームの最大電流（JLab-FELの場合約10 mA）には依存しないビーム損失、即ち超伝導空洞からの field emissionやビーム調整中の損失（JLabの場合 300 nA）も重要であることがわかった。
上記文献におけるビーム損失分布の仮定は、主に Steve Benson の経験に基づく。ビームロスモニター等を用いた過去の実験にある程度基づいているが、推定している部分も多いように思われる。（詳しい定量的なことを聞いても、はっきり答えないことも多かった）。一応の目安程度に考えるのが良さそうである。
JLabでは、ビーム調整用可動ダンプが重要であるとの事である。cERLでは必要か、必要ならばどのように設置するか、について検討が必要。