ビームダイナミックスＷＧ
活動報告
ERLビームダイナミックスWG（発表） ＫＥＫ物構研 坂中章悟

November 14, 2006, ＥＲＬ検討会
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ERL実証機
ERL実証機の役割• 重要コンポーネントのビームを使った試験– 電子銃、超伝導空洞• 超低エミッタンスビームの生成と加速、エミッタンス保存• 大電流ビームの周回試験（100 mA）• 加速器物理の実証研究 ：コヒーレント放射(CSR), ビーム損失比率、ビーム不安定性、イオン捕獲、など

当面検討すべき課題••••

入射器、合流部の最適設計 （空間電荷効果補償など）
周回部のラティス設計、最適化、建物との整合性
ビーム不安定性
バンチ圧縮方式の最適化 （最短バンチ、最小エミッタンス）

2これまでの主な検討事項
ERL実証機••••

入射器シミュレーション（宮島）
実証機ラティス設計（原田、小林）
建物内の配置検討（長橋）コヒーレント放射光– ＥＲＬ周回部におけるＣＳＲ（吾郷）– （旧）ERL Test Facility のバンチ圧縮の最適化（島田）• ビーム不安定性– HOM-BBUの解析（羽島、永井） -- 実用機、ERL向け空洞– （旧）BBUの検討結果（菖蒲田）– Resistive-wall multi-bunch beam breakup（中村）– イオン捕獲（坂中）
これまでの検討結果はＥＲＬ推進室のウェッブページに掲載
http://pfwww.kek.jp/ERLoffice/info/wgsiryou/wgsiryo.html

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入射器シミュレーション（宮島）
１．ＪＡＥＡ型入射器の再現計算 (Parmela)
計算結果••
R. Hajima et al., NIM-A557, 103-105 (2006)

10 mA : εx = 0.158mm⋅mrad
100 mA : εx = 1.27mm⋅mrad

構成
••••
••
•

DC電子銃 500kV
ソレノイド、バンチャー、ソレノイド
3-cell加速空洞×5 (1.3 GHz)→ 2-cell に変更する可能性
トリプレット4極、ダブレット4極
マージャー（入口でのエネルギー 5.8MeV）
マージャー入口までの距離：7.17 m
電流：100 mA (77 pC × 1.3 GHz)

εxεyE
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入射器シミュレーション
2．Cornell入射器の再現計算 (Astra)・ バンチ電荷：80 pC/bunch• 電子銃電圧 500kV の時 εx = 1.11 mm⋅mrad (Cornell: 0.82) が得られた• 電圧 750 kVの時、 εx = 0.29 mm⋅mrad (Cornell: 0.14)
5• 初段加速セルの加速勾配のエミッタンスへの影響について調査

入射器シミュレーション
３．今後の課題• JAEA型入射器のさらなる低エミッタンス化– 多パラメータ最適化アルゴリズム：– 機器の位置を可変、レーザープロファイル可変• 超伝導空洞の大きさ、モニター、バルブ等を入れて現実的に• 複数コードでの相互チェック• ＥＲＬ検討会（2006/4/7）：羽島さん発表– カソードモデル改良– マージャー部の空間電荷効果、ＣＳＲ– ジッター等の許容値（最適パラメータ空間の広さ）– 入射器におけるバンチ圧縮の可能性– 常伝導オプションを排除してよいか？
– 等々
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周回部ラティス設計（原田、小林）
１．周回部設計の主な課題• 実用機と同様のラティスが望ましい → TBA• エネルギー回収のため周長の調整が可能– シケインまたは可動の磁石架台• CSR等によるエミッタンス増大を最小にする• バンチ圧縮のためR56を可変できる• バンチ長最小化のためT566 等を補正可能 → ６極磁石
• 最終的にはアンジュレータを設置可能– 挿入光源に最適な光学関数• （オプション） ビーム不安定性（BBU）のスタディのためx-y結合の制御• ビームハロー、テールの処理（コリメータ等）– 放射線対策。ビーム品質への影響あり。
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周回部ラティス設計
２． 検討中のラティス (Triple Bend Achromat)

偏向角: 45°-90°-45°

超伝導空洞

ダン入射器

ビーム光学関数:

βx , β y , ηx（条件）・周期解（空洞中央を始点）
・エネルギー一定（200 MeV）
→ 初期条件（入射ビーム）、
加速 は今後の課題
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周回部ラティス設計
３．今後（当面の）課題••••

ビームモニター、真空、超伝導空洞とのすり合わせ
ＣＳＲによるエミッタンス増大を考慮してオプティクス最適化
バンチ圧縮方式
放射線対策（建物の課題）

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建物、配置、遮蔽の検討（長橋）

冷中性子棟

KEKB コントロール棟
搬入口３10中性子・ミューオン実験室配置（現状）11建物、配置、遮蔽の検討
最大ビーム電流: 100 mA
ビームエネルギー: 60 – (160) MeV
ERLTestFacilityBuilding

規格化エミッタンス: 1 – 0.1 mmmrad
入射エネルギー: 5 MeV (15 MeV)
Neutron Target_v0_3_0
12000

20000

11500

Pit for coolingwater/cables
4700
Service entrance 12m frombeamline

PillarIronConcrete

1m fromwalls
Serviceentrance 3
6000

6000

6500

6500

6500

6000

6000

1243500
790

3400

建物、配置、遮蔽－現時点での問題点
建物、遮蔽に関する課題• 今の図面の遮蔽（コンクリート 50cm＋鉄 25cm）を仮定すると、ビーム損失率10-7 程度が必要だと推定（’06/10/10 ERL検討会）• 床の耐荷重 6.6 ton/m2(?)。 耐荷重が足りない可能性。
– 荷重分散？ 補強工事？ → 調査が必要。

• 冷中性子棟の横は道路（一般区域）のため、放射線レベルを0.2µSv/h 以下にする必要。（管理区域は 20µSv/h が目安）。
• 大電流 100mA → 加速器を地上設置で良いか？
周辺監視区域の設定が難しい場所で良いか？

• 妥当な建設費、できる限り早急な建設とのバランスを考慮配置に関する課題• 磁石電源、高周波源、極低温冷凍機、等の設置場所の確保– 周辺建物の有効利用

13現時点での実証機パラメータ（案）入射エネルギー
入射器ビームパワー
周回エネルギー
主リニアックのクライオモジュール
規格化エミッタンス
ビーム電流
バンチ長アンジュレータ

5 MeV (5-15 MeV可変）
500 kW (1 MW)
60 MeV ? (160 MeV 程度？）
9cells × 4 が1台 （同２台）
1 mm⋅mrad (0.1 mm⋅mrad)
10 mA? (100 mA)
通常モード： σz = 1-2 ps
短バンチモード： σz ~ 100 fs ?
当初なし
（エネルギー増強後に設置か）
当初目標。（ ）内は最終目標。

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周回部におけるCSR効果の検討（吾郷）放射光のスペクトル

シールド効果(dI/dk)Δk [eV]Δk=103 [1/m]Average energy loss / particle / turn

ISR: Ip = 141.5 eV
CSR: Ip = 84.6 keV←shielding wavenumber

E=200 MeV
Ne=77 pC (N=4.8×108)
σz=1 ps (Gaussian distribution)
Bend: R=1 m, 60deg×6
Vac.chamber: 100mm×40mm (Cu)

遮蔽の目安：高さ12mm (σz=1ps)

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アーク部でのＣＳＲによるエミッタンス増大の最小化（島田）（以前の設計）200MeV Test ERL

アーク部でのCSRによるエミッタンス増大の最小化方法

計算例（バンチ圧縮なし）

16Resistive-wall multi-bunch BBU（中村）• 真空チェンバーの抵抗性インピーダンスによって横方向不安定性が引き起こされる可能性
1∝
W• Wake の大きさは真空チェンバーの径に大きく依存：⊥b3– チェンバー径の決定の際に考慮すべき点の一つ（実用機）• 解析的なモデルによる growth time の見積もり

kicksbunchesoffset
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Resistive-wall multi-bunch BBU• 何らかの減衰機構（フィードバック等）が必要となる可能性が大きい。

18イオン捕獲（坂中）Bunched beam における
critical mass の見積もり

Critical mass Ac

6イオンの収束力による tune shift( ∆ν x )ion =Critical mass vs beam size (calculated)

105
104
103
102
101
100
10-1 A =110-2 c
10-3
10-4
10-5
10-6
10 -610!

!

!
(5) 1MHz, 1mA(3) 130MHz, 100mA(4) 130MHz, 10mA(1) 1.3GHz, 100mA(2) 1.3GHz, 10mA
-5-4

1010rms beam size σ = σx = σy (m)

β xλi
ds
2πγβ 2e ∫0 σ xi (σ xi + σ iy )reL

re I 0η L
4πβ 2ceε n仮に ∆ν < 0.1を要求するならば、実証機： <η> ~ 2×10-3 以下,実用機： <η> ~ 2×10-4 以下が必要とされる。

-310

バンチ繰り返しの高い運転モードでは、critical massによるイオン捕獲の抑制効
果はあまり期待できない。
ベータトロン振動の位相エラーを考えただけでも、中性化率 η が１近くになるのは許容できそうにない。

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HOM-BBUの解析（羽島、永井）• 超伝導空洞の高次モード（HOM）による Beam Breakup (BBU) の解析• 以前の検討（KEK-菖蒲田氏、JAEA）の違いを理解する（TESLA空洞）• SCグループが検討中のERL向け空洞を用いた場合のしきい電流

BBU-R code を用いたシミュレーションモデル
! ビームエネルギー：入射 10MeV、周回 6GeV （実用機を仮定）! Triplet によるリニアック部の収束系。しきい電流が高くなるようにリニアックのオプティクスとループでの位相進みを最適化。

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HOM-BBUの解析
リニアック内での β関数（最適化後）

しきい電流

BBU-R code、オプティクス最適化あり! TESLA空洞： σHOM = 1MHz で Ith = 110mA （アイリスモードを入れた）
Ith = 170mA （アイリスモードなし）! ERL空洞： σHOM = 0.4MHz で Ith = 200mA

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まとめ• 入射器：過去の設計例の再現計算を行った。今後、最適化アルゴリズムによる設計改良と各コンポーネントとのすり合わせを行う。
• 周回部：大まかな設計ができたので、今後最適化、各機器とのすり合わせ等を行う。
• 建物、遮蔽に関して課題がある。
• ＣＳＲ，ビーム不安定性に関しても、検討が進んでいる。

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