ATF の現状 2002
早野仁司、および ATF グループ
高エネルギー加速器研究機構 加速器研究施設〒305-0801 茨城県つくば市大穂 1-1

概要
リニアーコライダー加速器入射部の低エミッタンスビーム生成開発を行っている試験加速器（ ATF）
では、シングルバンチでの目標エミッタンス達成の後、現在マルチバンチでの低エミッタンスの達成を目標に研究開発が進められている。マルチバンチでは垂直方向エミッタンスは各バンチにわたって均一に目標エミッタンスの２倍まで下げる事ができている。附随してレーザーワイヤーモニターの高度化、
X 線 SR モニターの開発、ODR モニターの開発などの先端的モニターの研究、 RF ガンによるマルチバンチ生成研究も行われている。本報告ではマルチバンチのエミッタンス開発について、そして各種エミッタンスモニターの開発状況の報告を行う。

１．はじめに
ATF は、マルチバンチ低エミッタンスビームの実現という目標のもとビーム開発およびビームモニター開発を行っている。2001 年 2 月にはシングルバン
チでのエミッタンスがほぼ目標値（小ビーム強度の時εxn=2.6x10-6 rad.m, εyn=2.7x10-8 rad.m ）に到達した事を取り出したビームで確認した。現在垂直方向エミッタンスの測定値のふるまいがイントラビーム散乱をいれた予想計算と異なっている原因追求が引き続きなされている。一方、マルチバンチでのエミッタンス達成においては 2001 年夏にリングのイオンポンプを増強しビーム周回時の真空度改善を行い、さらに軌道調整や縦方向フィードバック、ビームロスの観測などを丹念に行ってきているが Y 方向エミッタンスはシングバンチエミッタンスと同じバンチ強度で比較すると２倍程度大きい（εyn=5.8x10-8 rad.m）。
本報告ではそのマルチバンチエミッタンス開発の状況、および、あわせて進められているマルチバンチビームモニターや新たなエミッタンスモニターの開発状況を報告する。

２．マルチバンチ低エミッタンス
熱電子銃からのマルチバンチ発生（20 バンチ）はグリッドに 357MHz のバースト RF を印可する事で行っている。電子銃から取り出しラインまでのビーム強度透過率は 50%程度であり、シングルバンチ運転と大差ないが、放射線安全規定上電子銃での発生最大電流が規定されているので、各バンチ強度はシングルバンチ時の約 1/3 が現状最大である。マルチバンチ運転はまずシングルバンチで十分に調整を行った後にリングと取り出しラインのパラメーターを触らずにマルチバンチを効率よく入射する様にリニアック、トランスポートラインを調整するという方法で行っている。2001 年秋から冬にかけてリングアーク部の未装着部分のイオンポンプ増強およびトリスタンリングから移設した 40l/s イオンポンプを新品に取り替えてマルチバンチ入射時のリングの平均真空度を 1.2 x10-6 pa から 0.7 x10-6 pa に改善した。この際リングはマルチバンチの３トレイン入射でかつ蓄積モードで運転され最大 50mA の大電流での焼きだし運転を行った。この時最小の Y 方向エミッタン
スは全ビーム強度 4.5x1010 の時（各バンチ強度は約2.6x109 ）、εyn=5.8x10-8 rad.m と目標の２倍の大きさで測定されている。なお、X 方向エミッタンスはシングルバンチ時と同様である。エミッタンスの測定は取り出しラインのタングステンワイヤーやリング内のレーザーワイヤーにおいては全バンチの平均射影で計測され調整やスタディーが進められているが、同時に各バンチのエミッタンスを計測する検出器や回路も立ち上がっていてマルチバンチエミッタンスも計測可能となっている。

３．低エミッタンスビームモニター
このダンピングリング低エミッタンスビームの Y
方向エミッタンスを精度よく測定する事はいろいろな困難がある。まず測定対象自体が６〜８μm のビームサイズというかなり高分解能な測定装置が必要という点である。また Y 方向は６〜８μm であるがX 方向が４０〜１００μm と扁平なビームであるので数度のビームの傾き（またはビームラインの数％の X—Y カップリングあるいは測定装置の傾き）により Y 方向サイズはすぐに大きく測定されてしまう。
そしてディスパージョンによるビームサイズ増大の効果を正確に差し引かなければならない、すなわちディスパージョンを正確に測定しなければならないという点でも困難が生じる。さらにビーム強度に強く依存したイントラビーム散乱によるサイズの変化も起きている。したがって低エミッタンスの確認には広いダイナミックレンジをもつ高精度、高分解能なサイズモニターが必要であり、ディスパージョンの正確な測定には高分解能なビーム位置モニターが必要となってくる。さらに測定の間ビームは十分に安定でなければならないので、ビーム安定化開発も必要となる。このように低エミッタンスビーム計測には最先端の計測技術が必要となってくる。以下にATF で開発中あるいは使用中の計測装置について報告する。

3.1 リング内ビームのレーザーワイヤーモニターによる測定

3.3 取り出しビームのタングステン（カーボン）ワイヤーモニターによる測定

リング内でのエミッタンスモニターとして北直線部にレーザーワイヤーによる Y 方向のビームサイズ計測装置開発が京都大チームとの共同開発で行われている。このレーザーワイヤーは小電力 CW レーザーを用いオプティカルキャビティーによりフォトンを蓄積した 1σ= 6μm のワイヤーをつくり出す。レーザー装置自体を Y 方向に動かしビームをスキャンするが、その時発生するビームとのコンプトン散乱後のγ線を下流検出器で検出しビームサイズを計測する。γ線の生成率が低いのでビーム計測はリングにビームを蓄積しγ線計数蓄積で行うのでライフの短い大電流領域は計測できないが、小電流域ではきれいなビームプロファイルが計測できている。ここ
１年の改造によりレーザー出力およびオプティカルキャビティーの Q 値改善がなされ S/N 比が 0.5 から4 に増大させる事ができた。またシングルフォトンカウンティング回路を導入する事によってマルチバンチの各バンチのプロファイルも計測できるようになり、エミッタンス計測の主役となりつつある。

取り出しラインのワイヤースキャナーは現在 10μm 径のタングステンが使用されており、最小 6μm のビームサイズが測定されている。これらのワイヤーモニターによるエミッタンスはリングのレーザーワイヤーよりやや大きめに測定されており、取り出しラインに存在する X-Y カップリングによるものと推測されている。その X-Y カップリングの原因をさがす努力は継続的に行われているが取り出しキッカー
あるいは取り出しセプタムまわりと推定されている。
一方、マルチバンチのビーム強度が上がるとタングステンワイヤーのブレーク（破断）が心配されるので、7μm 直径のカーボンワイヤーが使用できるかどうかのテストが行われた。その結果、ビームとワイヤーとの衝突からの制動γ線の生成がタングステンと比べ 1/100 ではあるがγ線検出器 PMT の HV を200~300V 上げてゲインを上げる事で対応でき、問題なく使用できる事がわかった。今後のマルチバン
チ大強度ビームで使用されるであろう。

3.2 リング内ビームの X 線 SR モニターによる測定
もうひとつのリング内エミッタンスモニターとして SR 干渉モニターを使用しているが、その測定値は光学系の繊細な調整が必要でありミラーなどの振動の影響を受けやすくビームサイズの小さいところでは信頼性は高くはない。一方、波長の短いX 線 SR光を使ったビームプロファイルの直接観測が東大物性研チームから提案され共同開発する事となった。
X 線（3keV）の結像には微細加工技術の進展により実現可能となったゾーンプレートが使われている。
波長は 0.38nm、ゾーンプレートへの SR 光の発散角は 0.15mrad であり、それらからの分解能限界は 1.5μm 程度となるので６〜８μm のビームサイズ測定には十分である。2001 年夏から X 線ビームラインが設置され 2002 年 5 月になって周回ビームのイメージングに成功した。まだ詳細な調整や検討が必要であるが、きれいなビーム像が X 線 CCD 上に観測されており、可視光での回折限界約５０μm を下回るサイズである、X 方向 46μm、Y 方向 10μm という測定値が得られている（図１）。今後リアルタイムエミッタンスモニターとして立ち上がる事が期待されている。

図１：X 線 SR 光によるビームプロファイル

3.4 遷移放射を用いたビームサイズモニターによる測定
可視光領域での遷移放射を高倍率拡大光学系にてイメージングする事によりビーム像を直接観測する
OTR モニターは SLAC チームが研究開発を行っている。これは鏡面加工されたターゲットにビームを直接あてその表面からの遷移放射光を拡大光学系で撮像するもので光学系は2μmの分解能を持っている。
このモニターでは最小４μm のビームサイズを観測できている。またビームの傾きも容易に観測可能であり、取り出しラインでのリアルタイム２次元モニターとして実用化されている。Q スキャンによるエミッタンス計測値はタングステンワイヤースキャナ
ーと概ね一致している。残念ながらビーム衝突による放射線を出すので長時間や大強度ビームには使用できない。また、大強度ビームに対してはターゲット表面にダメージが観測されるなど、制限が多い。

3.5 回折放射を用いたビームサイズモニタ
ーの開発
遷移放射光はビームを金属ターゲットにぶつける時に放射する光であるが、回折放射光は金属ターゲットの端ぎりぎりのところをビームが通過したときに金属端から放射される光である。したがってこの光を利用してビームサイズモニターが実現すれば、ターゲットにビームダメージはなくかつ不要な放射線発生もなくなる。この原理実証をするべく回折放射ビームサイズモニターの提案が東京都立大とトムスク大よりなされ ATF と共同開発を行っている。
回折放射光の検出光学系は性質のよく知られた遷移放射を利用して校正を行い、その後にターゲット端より 100μm 程度離れたところをビーム通過させ回折放射光を観測するという手法で研究を進めている。

ビームがターゲットに当たっているかどうかはワイヤースキャナーのγ線検出器をモニターしながら行っている。可視光領域での回折光自体は世界に先駆けて 2001 年 12 月に観測した。現在は回折放射光の角度分布や偏光などを詳細に調べており理論との一致を確認している。ビームサイズモニターとしての開発点は 100μm 以下の薄い金属ターゲットの作成であり、そのターゲットは端部が 10μm 程度以下で直線状にそろっていなければならないし、ターゲット表面は鏡面でありかつ平面性がよくなければならない。現在各種ターゲットを試作中であり今後ビームテストを行っていき最良のターゲット材料と加工方法を探していく予定である。

3.6

空胴型高分解能ビーム位置モニター

Y 方向エミッタンス計測値の算出には、計測されるビームサイズからディスパージョンの寄与を抑制しなければならない。取り出しラインのワイヤースキャナー領域での X、Y ディスパージョンを 5mm 以下に調整すれば、ビームサイズへの寄与を 3μm 以下にできる。この時この領域でのディスパージョンを 1mm の精度で検出するためには 2.7μm の軌道偏差を検出する必要があり、高分解能なビーム位置モニターが必要となる。 BINP 研究所との共同開発である空胴型ビーム位置モニターは最高分解能が 0.2μm という高分解能で精度よく軌道変位測定が行われており、ディスパージョン調整を容易にしている。

3.7

リングビーム位置モニター回路の改善

リング内におけるビームベースアライメントにはビーム位置モニターの性能がキーポイントとなってくるが、現在ダンピングリングの位置モニターのシングルショット分解能は 20〜30μm と通常の蓄積リングより１桁以上悪い。さらにオンライン校正ができないため時間経過とともに測定値の絶対値の信頼性は落ちていく。これらを解決するために、低コストで高性能な BPM 回路の開発が継続的に行われてきていて 2002 年 6 月に解決のメドがたった。また校正用の疑似ビーム信号発生回路も開発された。この開発された回路を使用するとシングルバンチ1x1010 のビーム強度時に位置分解能は 3μm となり、現在使用している回路の 1/10 の分解能である。また疑似ビーム信号発生回路を使用したオンライン校正システムも組み込めるようになっている。2002 年 6月にはビームテストも行われ、実際環境下で問題なく標記の分解能を得る事ができた。この回路およびオンライン校正システムが稼動するのは 2003 年 1月頃と計画している。

４．マルチバンチフォトカソード RF ガン
熱電子銃からのマルチバンチ発生では各バンチ強度はバンチング性能の問題からシングルバンチ時の約 1/3 が現状最大である。またグリッドにかけるバースト RF の立ち上がり、立ち下がりやミスマッチなどにより各バンチ強度は不均一となっている。これらを解決し 1x1010 程度で 20 バンチの均一強度ビームをリングに損失なく入射できる電子銃としてマルチバンチフォトカソード RF ガンを開発している。
2001 年 7 月〜9 月におこなったシングルバンチフォ
トカソード RF ガン試験ではリングに 1x1010 のビームを損失なく入射できたので、本年夏に行うマルチバンチ試験は十分期待できる。シングルバンチ時は銅カソードを用いたが、必要なレーザー出力はパルスあたり 40μJ 程度とかなり大きいものであった。
マルチバンチでこのような出力をだすのはコスト的技術的にも困難であるので、CERN や DESY で実績のある量子効率の高い、高電界 RF 場中でも量子効率寿命の長い Ce2Te カソードを使用し、レーザー出力を２桁下げる方法をとる事とした。このためフォトカソード研究に実績と経験の深い名古屋大チームと共同でカソードのロードロックシステムを開発する事となり現在製作中である。RF ガン空胴は BNL型のカソード端板を改造する事で、交換可能なフォトカソードを取り付けられるようにした。空胴はKEK の工作センターで加工からロ−付けまで行い高精度な空胴を製作した。一方、マルチバンチレーザーは放医研のチームの協力を得る事ができ ATF での共同試験が可能となった。本格的なビーム発生およびリング入射試験は 2002 年 9 月から行う予定で現在準備中である。

５．今後の課題と展望
マルチバンチのエミッタンスはシングルバンチ時の２倍というところまで下げる事ができているが、その原因についてはいまだ推測がついていない。ファーストイオン、カップルドバンチなどの各種のインスタビリティーを考慮して高速高精度なモニターを整備していかなければならない状況である。マル
チバンチビームの強度不足についてはマルチバンチ
フォトカソード RF ガンが解決するであろうと考えている。リングのビームベースアライメントのために導入される高分解能 BPM 回路およびオンライン校正システムは軌道測定を１０倍以上高精度化するであろう。また、各種モニターも鋭意開発改善中であり今後一層の高分解能、高精度、広帯域化（バンチ毎測定）が進む予定である。

６．謝辞
ATF の運転維持および開発研究はシフトに参加しビーム開発を担当してくださる皆様と、技術サポートをしてくださる（有）イーキューブ、（株）関東
情報サービスの方々によって行なわれています。あらためてここに感謝致します。さらに、本著者は菅原機構長、木村物質構造科学研究所長、神谷加速器研究施設長、黒川加速器総主幹、榎本加速器第３研究系主幹、高田教授の方々のご理解とご指導に感謝致します。また、ここに報告しました ATF の研究開発が皆様の研究の一助にでもなれば幸いと思います。