ナノテラスにおける3極ウィグラーを⽤いた
電⼦ビーム診断システム
第20回⽇本加速器学会年会
2023年8⽉31⽇
上島考太A), ⾼野史郎B),C),A), 前坂⽐呂和C), 正⽊満博B), A), 藤⽥貴弘B), A), 出⽻英紀B), A) ,渡部貴宏B),C),A) , 深⾒健司B),C),A) , ⾕内努B), A), 清道明男B), A), ⼟⼭翼D),及川治彦D),
伊原彰D),齋⽥涼太D),⻄森信⾏A)A)量研, B) ⾼輝度光科学研究センター, C) 理研, D)量研/NAT

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内容• ナノテラスの電⼦ビーム診断システム• ３極ウィグラーの開発、設置• First Light 観測• X線ピンホールカメラ(XPC)の性能評価• まとめ2加速器構成周⻑ 349m
16セル,ビームライン28本
3GeV, 400mA, 1.14 nmrad

3GeV蓄積リング基本セルの構成
機能複合型偏向電磁⽯ ４台
4極電磁⽯ 10台
6極電磁⽯ 10台

電⼦ビーム診断部

⻑直線5.44m

偏向磁⽯

短直線1.64m

3電⼦ビーム診断システム 1本の短直線部に蓄積電流モニター⽤のDCCTと電⼦ビーム診断⽤の光源を設置
光源: 3極ウィグラー
硬X線から可視光領域まで幅広い波⻑域の光源
・硬X線を⽤いた横⽅向電⼦ビームサイズ測定により、エミッタンス及びカップリング⽐を診断・可視光成分を暗室まで導き、ストリークカメラを⽤いたバンチ⻑測定も計画。
ビームサイズ𝜎! =" #𝜀! 𝛽! + ( ! " )2 𝜎% =
$

𝜀% 𝛽%

ビームサイズを観測し、エミッタンスを求める。
カップリング⽐も求まる。
光源-ピンホール
光源-カメラ

5.225m
14.782m

短直線部でのビームサイズ σx = 80 µm (𝜀! 1.14 nm rad)σy = 6 µm（カップリング１％）（設計値）
ビームサイズ測定 ⽬標分解能 5μm以下

4短直線部の機器構成
DCCT
磁気シールド内部

短直線部機器構成
・ステアリング電磁⽯：軌道補正のため
・DCCT：電流モニター
・3極ウィグラー：電⼦ビームサイズモニター

3PW

DCCT
ステアリング電磁⽯

ステアリング
電磁⽯

3極ウィグラー設計条件
・50keVの硬X線を発⽣させるためピーク磁場1.2T以上
・積分磁場ByL 1 Tmm以下 (0.1mrad以下)
・空間制限により180mm以内
・磁極ギャップ22mm以上
・DCCTセンサーヘッドへの漏れ磁場対策が必要

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３極ウィグラー
磁気シールド

地磁気

ハイブリッド型の3極ウィグラー
永久磁⽯ サマリウムコバルト(Sm2Co17)
磁極 電磁軟鉄 SUY-1 相当
両端に磁気シールドを設置

磁気シールド設置場所

漏れ磁場：地磁気程度に抑えられた。
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３極ウィグラーの性能

ピーク磁場 1.274 T
積分磁場ByL 0.056 Tmm（-200~+200mm積分値）

ステアリング

キック⾓μrad3PW 上流⽔平7.983PW 上流垂直-3.39

3PW 下流⽔平8.95

3PW 下流垂直-5.25

ステアリング電磁⽯(最⼤250μrad)73PWのCODへの影響は、ほぼ無し。

低エミッタンス光源リングのエミッタンス診断
第3世代光源の発展とともに放射光を⽤いるエミッタンス診断が⼤きく⾶躍 #SPring-8での微⼩エミタンス診断技術
Ø単⾊可視光２次元放射光⼲渉計 ##Ø単⾊X線
FZPによるイメージング ###,
フレネル回折法 ####
Ø⽩⾊硬X線

ID'source'ye

Observa4on'Screen'''''

Single'Slit'

Spherical'Wave

ys

y

Monochromator'

X線ピンホールカメラ #####L

ナノテラスではX線ピンホールカメラを採⽤
üX線分光素⼦を⽤いずに必要分解能を実現可能#

width'A

wavelength'λR

S. Takano, IPAC2010 WEZMH01; H. Maesaka, IPAC2015 THYC1;
S. Takano and H. Tanaka, IBIC2019 THBO02.
##
M. Masaki and S. Takano, J. Synch. Rad. 10 (2003) p.295.
###S. Takano, et al., Nucl. Instr. and Meth. A556 (2006) p.357.
#### M. Masaki, et al., Phys. Rev. ST Accel. Beams 18 (2015) 042802.
##### S. Takano et al., IBIC2015 TUCLA02.

X線ピンホールカメラ
カメラユニット
レンズ
ピンホール

X線取り出し窓

光源-ピンホール(d) 5.225m
光源-カメラ 14.782m
M＝D/d 1.83倍 (D 9.557m)
レンズの倍率 2倍
合計 3.66倍

9光取り出しライン

開⼝
13.5μm可視光取り出し⽤ミラー
光軸から3mm上にずらして設置
タングステン板を組み合わせて作成

可視光取り出し窓
X線取り出し窓
Al 4mmピンホール

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First Light 観測

5⽉29⽇BT部調整開始
2週間後、放射光観測成功
3週間後、ビーム蓄積成功

300μs (1周 ~1.1μs)

3PWからの放射光

⼊射タイミング

X線観測

11XPC

ピンホールX⽅向

X線ピンホールカメラ調整
σyμm

X線初観測 2023年7⽉

150y = 1.617x + 0.8723
100

カメラピント調整

9.8-1002.0mm

2515

強度204060

1.5mm
Y⽅向射影強度分布-10000
-8000

9.6
9.4

Beam

θx

9.5Ｘ

9Z

8.5

150

y = 1.6175x - 0.462

8.4

Y⽅向射影強度分布-140-12050
ピンホール
θx0-160

10-1008-200

100

強度-8700pulse

9.210100 精密ステージ

移動量μm-1508.2-180-6000(1pulse 0.5μm)

80

強度

θz θｙ-100

8.6

Camera (pulse)Z(pulse)Camera 精密ステージZ-50050

9.5(1pulse5.6sec)-50

9-142pulse-100100

精密ステージ
移動量μm

-100

9-150

8.8

100

ビーム中⼼位置Ｙ8.8
ピンホールZ⽅向
0.96μm/pixel
移動量(pixel)

9.8

20
露光時間
50msec15
蓄積電流2.5mA-20-50

9100-12000

2.4mm

-40

9.2

530-609.4

20

カメラピント調整

-80

09.6

25

σyμm

50

Y⽅向射影強度分布

強度30XPC

ビーム中⼼位置移動量(pixel)

カメラのピント調整
ピンホールの⾓度調整θz,θx
ピクセル・サイズ換算校正
ピンホール θx
CameraZ(pulse)8.5

8.6

50-12000

8.4-10000

-8000

-6000

8.2-180-160-140-1208-200-100θz(pulse)-150-100

1.7 mradピンホールθz(1pulse 0.5μm)(1pulse 5.6sec)(1pulse 4.9sec)-8700pulse-142pulse-115pulse

-50

12Y

蓄積電⼦ビーム像
pixel

2.4mm

⽔平⽅向フィルター無し

露光時間 10 msec
蓄積電流 2.5mA

σx 81.8μm

2.0mm

垂直⽅向

pixel

常時ビームサイズをモニター可能
オプティクス調整
Bunch by bunch feedback(BBF)調整等に活⽤

σy 14.4μm
13X線像検出部の分解能評価

XPC

pixel

ナイフエッジ法

⽔平⽅向射影強度分布

⽔平pixel

微分強度分布pixel

スリットを⽤いて
X線像検出部の分解能評価

pixel

分解能
１シグマ 1.7pixel -> 1.6μm
σ cam.

1.7pixel -> 1.6μm

14X線ピンホールカメラの性能
ph/s/mm2/0.1%B.W.

⿊: filterなし
緑: Cu 0.6mm
⾚: Cu 0.8mm
⻘: Cu 1.0mm

130mA蓄積時フィルター有Cu 0.8mm

eV
低エネルギーX線をカットすることで、回折の影響が低減し、分解能が向上する
X線エネルギー

回折による分解能

Total

Filter なし 30keV

5.3μm

5.5μm

Cu 0.8mm 50keV

4.1μm

4.4μm

Filterを⼊れることで、分解能5μm以下を達成

σ x 80μm
σ y 16.6μm

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まとめ
• ３極ウィグラーの製作が完了し、ピーク磁場1.274T
積分磁場0.056Tmm と要求仕様を上回り、設置も完了した。
• 2023年6⽉ First Light の観測に成功• X線ピンホールカメラで蓄積電⼦ビームの撮像に成功• X線ピンホールカメラの性能評価を⾏い、5μm以下の分解能を達成した。今後オプティクス調整、BBFの調整等に活⽤する。

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