コンパクトERLにおけるバンチ圧縮の可能性に関して

分子科学研究所,UVSOR
島田美帆
日本原子力研究開発機構,JAEA
羽島良一

Outlinez

Beam dynamics studies for the 5 GeV ERLzz

規格化エミッタンス0.1 mm mradを維持する周回部の設計

Towards user experiment at the compact ERLzz

Short bunch for THz radiation (CSR)z １６５MeV電子エネルギーにおけるバンチ圧縮
Femtosecond X-ray from Laser Compton Scatteringz ６５MeV電子エネルギーにおけるバンチ圧縮

Layout from merger section
to insertion devices section•Test Facility Main Parameter

基本的な配置案は原田健太郎氏による•Injection energy

5 -10 MeV

•Full energy

65 – 205 MeV•Injection bunch length

1 -3 psec•Bunch length after compression

0.1 psec•Initial projected emittance

0.1 -1 mm・mrad•Energy Spread

0.002 × 5 MeV
緑文字：トラッキングシミュレーションで使用した初期値

Preservation of low emittanceCSR wakeと偏向磁石におけるエミッタンスの増加(2) バンチ内にエネルギーの変化を引き起こす(1) バンチ後方から発生したCSRは直進し、バンチ先頭に追いつく。

(3) バンチスライスによって軌道にBunch tail
ずれが生じる。

Bunch head

エミッタンスの増加z

CSR wakeは短バンチで電子エネルギーが小さいほど影響が大きい。

Y. S. Derbenev et al , TESLA-FEL

Minimization of the emittance growth
due to the CSR wakeθPhaseθCSRθPhase=θCSRtan 2θ Phase = 2α /(γ − β )(x, px) at the arc exit

(x, px) at the arc exittan 2θ Phase = 2α /(γ − β )Large emittance growth

Minimized emittance growth

The emittance growth is minimized when θPhase coincides withθCSR (direction of CSR kick).
R. Hajima, Nuclear instruments and Methods in Physics Research A 528 (2004) 335-339

tan 2θ Phase = 2α /(γ − β )tan θ CSR = sin φ / ρ (1 − cos φ )α, β, γ ：Twiss parameter, φ : bending angle

周回部出口の位相空間分布（８５ＭｅＶ）CSR kick

Not Optimized
1.45 mm・mradzzz

Optimized
0.27 mm・mradCSRは周回部中央で大きく発生。
周回部の中にある3つの4極磁石を最適化 （elegant)
最適化によって、およそ1/6までエミッタンスを減少（6極磁石は有効ではなかった。）

エミッタンスの最適化

周回部出口の規格化エミッタンス
zzzz

周回部出口のバンチ長4極磁石の最適化によって、1/5から1/15までエミッタンスを小さくすることが可能。
100MeV以上ではほぼ0.1 mm・mradを満たしている。
エミッタンスの最適化によって、若干バンチ長も短くなった。
エネルギースプレッドも若干小さくなったことを確認した。

Bunch compression

For what the compact ERL can beused?
zTerahertz coherent radiationz SR of terahertz region, from 1THz to 10 THz, is enhanced bycoherent radiation, when the rms electron bunch length is shorter
than 1ps.
z Transverse beam size should be less than the wavelength to keep
the coherent enhancement -- (un-normalized εx < 100 mm mrad)

THz region
100 fs1 ps

For what the compact ERL can beused?
zLaser Compton Xrays
フェムト秒のX線を発生するにはレーザーとともに、電子バンチもサブピコ秒の長さを持つ必要がある。

E x − Ray ≈ 2γ 2 E Laser

λLaser = 800nm (Ti : SaLaser )50keV以下のＸ線

電子ビームがおよそ65MeV (γ=130)以下

しかし、CSRによる影響は電子エネルギーが小さいほど大きいBunch compression at the arc section• Rough estimation of φRF corresponding to R56
ΔE(1 − 0.1)p sec
Δz = R56
Rσ =E01p sec

tan φ RF = −zzcRσ
2πf RF R56

φRF,と R56を調整し、0.1ps バンチ圧縮の最適化を行う。
CSR wakeなどによるエネルギー分布の変化によってバンチ圧縮の効率が悪化する場合もある。

6極磁石の導入
z

RFカーブとCSR wakeによるエネルギー分布の歪みを補正するために使用。

z

テールの影響を抑え、効率的にバンチ圧縮することを目的とする。

z

2組の6極磁石を周回部に配置

縦方向のエネルギー分布の歪み

6極磁石の配置図

Comparison between with andwithout sextupole magnets
charge 77pC, 1ps (rms), 0.1mm-mrad R56= -0.1m
with CSR, without sextupole

390 fs (rms), 6.9mm-mrad

Curvature of RFwith CSR, with sextupole

T566 < 0 helps the bunch compression
With CSR59 fs (rms), 5.6mm-mrad

distortion by CSR

1ps
100fs

optimized by R. Hajima

周回部のR56の最適化

Δz = R56

ΔEE0tan φ RF = −zz

R56 がそれぞれ-0.05から-0.7である周回部において、φRFと6極磁石を最適化
R56 = -0.1付近がバンチ圧縮には最適

Rσ =(1 − 0.1)p sec
1p seccRσ2πf RF R56

エネルギーによるバンチ圧縮の効果の変化（77pC, R56 = – 0.1)
165 MeV

1 ps

125 MeV

1 pszzz

165MeV の最短バンチ長が65MeVとほぼ同じであるのは、テールの発生が原因。
テールの形成は電子エネルギーによって非線形に変化する。
テールを除くと、エネルギーが大きいほどバンチ圧縮しやすい

65 MeV

1 ps

165MeVにおけるバンチ圧縮（テラヘルツ光発生源）308pC 縦方向の位相分布（縦軸：エネルギー、横軸：時間）

0.1ps

z

およそ400pC以下であれば、規格化エミッタンス<100 mm mradかつバンチ長<0.1psを実現可能である。

65MeVにおけるバンチ圧縮（Compton散乱によるフェムト秒X線）
1nC 縦方向の位相分布（縦軸：エネルギー、横軸：時間）

1ps

zz

1nCでは0.6ps程度まで圧縮可能である。しかし、規格化エミッタンスは100mm mradを超えてしまう。
0.5 nC以下では容易に0.2ps以下まで短くすることが可能。

まとめz

バンチ長1ps、低エミッタンスビームの実現
zzz

周回部の4極磁石の最適化により、1/5から1/15まで規格化エミッタンスを小さくすることができた。
100MeV以上では、ほぼ0.1 mm mradを数十％の増加程度に抑えることができる。

バンチ圧縮
z R56の最適化 （77pC, 165MeV)
zzz

エネルギーによるバンチ圧縮の効果
zzz

テールの形成はエネルギーに依存し、その影響は予測困難である。
テールを除いた部分のバンチ長はエネルギーが大きいほど短くすることができる。

165MeV電子ビームのバンチ圧縮zz

バンチ長をできる限り短くするには、R56=-0.1が最適である。
エミッタンスの増加も抑える必要がある場合はR56の絶対値を大きくすると効果的である。

およそ400pC以下であれば、規格化エミッタンス<100 mm mradかつバンチ長<0.1psを実現化のである。

65MeV電子ビームのバンチ圧縮
zz1nCでは0.6ps程度まで圧縮可能である。しかし、規格化エミッタンスは100mm mradを超えてしまう。
0.5 nC以下では容易に0.2ps以下まで短くすることが可能。