2013.7.26.
理化学研究所
前坂 比呂和2013/7/26

1• 電子ビームと検出器の相互作用– 電子ビームに付随する電磁場– 電子ビームとRF共振空洞との相互作用– 電子ビームと物質との相互作用– 電子ビームの各種放射• SACLAのビーム診断システム– 要求性能とその解決法• 各機器の詳細– RF空胴型ビーム位置モニタ (RF-BPM)– スクリーンモニタ (SCM)– 高速差動CT (CT)
– RFデフレクタ (RFDEF)– ストリークカメラ– コヒーレント放射検出器– ビームロスモニタ・ハローモニタ– データ収集2013/7/26

2

• 電子ビームを診断するには，検出器との間になんらかの相互作用がなければならない• 電子ビームに付随する電磁場のピックアップ• 電子ビームがRF共振空胴に誘起するRF電磁場• 電子ビームと物質との相互作用– 電離– 制動放射
– 蛍光• 電子ビームの放射– 遷移放射– チェレンコフ放射– シンクロトロン放射– それらのコヒーレントな放射

2013/7/26

テキスト 第2節

3•

2013/7/26

4•

2013/7/26

テキスト 2.1節，13.3.1節

5•

2013/7/26

テキスト 13.1節

6•

2013/7/26

テキスト 13.2節

7•

2013/7/26

テキスト 13.2節

8•
2013/7/26

テキスト 13.3.1節

9•（フーリエ級数の公式）

2013/7/26

テキスト 13.3.2節，2.1節

10•

2013/7/26

テキスト 13.3.3節

11•

2013/7/26

テキスト 2.1節

12•

2013/7/26

テキスト 13.3.3節

13• 電子ビームの加速– 通常の加速管• 電子ビームの横方向加速– RFデフレクタによるビームの時間構造測定• 電子ビームがRF共振空胴に誘起する電磁場– RF共振空胴に電子ビームが通過するとさまざまな共振モードのRF電磁場が誘起される• このRF電磁場のビーム診断への応用– RF空胴型BPMによるビーム位置測定– 電子ビームの到達時間測定• ここでは，電子ビームがRF空胴に誘起する電磁場について，その計算方法を考える
2013/7/26

テキスト 2.2節

14•

2013/7/26

テキスト 14.1.1節

15•

2013/7/26

テキスト 14.1.1節

16•

2013/7/26

テキスト 14.1.2節

17•

2013/7/26

テキスト 14.1.3節

18

•

1.00E+00	
  5.00E-­‐01	
  
0.00E+00	
  -­‐5.00E-­‐01	
  -­‐1.00E+00	
  
0	
  

2013/7/26

テキスト 14.2.1節

2E-­‐09	
  4E-­‐09	
  6E-­‐09	
  8E-­‐09	
  1E-­‐08	
  

19

•

2013/7/26

テキスト 14.2.2節

20•

2013/7/26

テキスト 14.2.3節

21

•

導出はテキスト参照(Skin depth)
2013/7/26

テキスト 14.2.4節

22•

ベッセル関数2013/7/26

テキスト 14.3節

23•

2013/7/26

テキスト 14.3.3節，14.3.5節

24•

2013/7/26

テキスト 14.3.4節, 14.3.5節

25

2013/7/26

軸付近で電場が一定
ビーム電荷量，到達時間の測定に使用
テキスト 2.2節

軸付近で電場が線形に変化
ビーム位置測定に使用

26

•

Beam

2013/7/26

テキスト 14.4節

27•

2013/7/26

テキスト 14.4.1節

28•

2013/7/26

テキスト 14.4.2節

29•

2013/7/26

テキスト 14.4.2節

30

• 電離損失– 物質を構成する分子を電離することによるエネル
ギー損失• 制動放射– 電子が原子内の電磁場で曲げられることによる放射• 電磁シャワー

– 制動放射によってでた高エネルギー光子が対生成と制動放射を繰り返して多数の電子・陽電子が発生した状態• 多重散乱– 電子が物質中で多数の小角散乱を受けてランダムに軌道が曲げられること

2013/7/26

テキスト 2.3節

31

•
物質	
 
グラファイト	 アルミニウム
	
 
鉄	
 
銅	
 
タングステン	 鉛	
 dE/dx [MeV/(g/cm2)]

1.E+3
1.E+2

破線が電離損失
Graphite

CopperAluminum

1.E+0

Copper

1.E-1
1.E-2

テキスト 2.3.1節

Lead

Aluminum

1.E+1

Lead

2013/7/26

78	
 
166
	
 
286
	
 
322
	
 
727
	
 
823
	
 

Graphite

1.E-1 1.E+0 1.E+1 1.E+2Electron Energy [MeV]
32

•
物質	
 
グラファイト	 アルミニウム
	
 
鉄	
 
銅	
 
タングステン
	
 
鉛	
 

42.70
	
 
24.01
	
 
13.84
	
 
12.86
	
 
6.76
	
 
6.37
	
 

dE/dx [MeV/(g/cm2)]

1.E+3
1.E+2

Lead
Graphite
Aluminum

1.E+1

Aluminum
1.E+0

Copper
Lead

1.E-1
1.E-2

2013/7/26

テキスト 2.3.2節

CopperGraphite

1.E-1 1.E+0 1.E+1 1.E+2Electron Energy [MeV]33•

2013/7/26

テキスト 2.3.2節

34•

2013/7/26

テキスト 2.3.3節

35• 遷移放射– 電子ビームが物質に入射した瞬間にその境界で発
生• チェレンコフ放射– 物質中の光速より速い速度で進む荷電粒子から発生• シンクロトロン放射– 電子ビームが磁場で曲げられたときに発生• これらのコヒーレントな放射– 放射の波長が電子ビームの時間構造と同程度かそれより長くなると発生• 制動放射も放射の一種だがすでに説明済み
2013/7/26

テキスト 2.4節

36•

2013/7/26

テキスト 2.4.1節

37• 可視光はν＜0.1
角分布

スペクトル

•
Beam

2013/7/26

テキスト 2.4.1節

39•

2013/7/26

テキスト 2.4.2節

40•
この周波数付近でスペクトルがピークを持つ

2013/7/26

テキスト 2.4.3節

41•

2013/7/26

テキスト 2.4.4節

42• 電子ビームが物質中で起こす電離を利用した現象として蛍光と電離電荷の検出がある• 蛍光– 電離によって発生した電子・ホールペアが再結合する際に放出する光• 電離電荷の検出– 絶縁体に電極をつけて電圧をかけておけば，
電子ビームが生成した電離電荷を集めてきて検出できる
2013/7/26

テキスト 2.5節

43

•
•

蛍光体からの発光を撮像すると電子ビームのプロファイルや電荷量の情報が得られる
蛍光体には無機結晶シンチレータとプラスチックシンチレータがある•

無機結晶シンチレータ–––

プラスチックシンチレータは耐放射線性が悪く，真空中にも入れにくいのでここでは無機結晶シンチレータのみ扱う
純粋な結晶自体が発光するものと蛍光物質をドープすることによって発光するものがある
発光原理はいずれも同じ•

電子・ホールペアが蛍光中心で再結合する際に発光する•

NaI (Tl)•

AF995-R (Desmarquest)•

YAG:Ce2013/7/26––––

ヨウ化ナトリウム (NaI) 結晶にタリウム (Tl) を適量ドープ
発光量 約 40000 photons/MeV
伝統的な蛍光体で，発光量の基準とされることが多い
しかし，潮解性があるため扱いづらい

–
–
–
–
–
–

Al2O3:Cr (アルミナ Al2O3 に酸化クロム Cr2O3 を重量比 0.5% ドープ)
発光波長: 693 nm peak (赤色)立ち上がり時間: マイクロ秒オーダ
時定数: 約 3 ms
耐放射線性がよく，加速器でよく使われる
しかし，不透明な蛍光体のため，蛍光体内で乱反射して像がにじむ

–
–
–
–
–
–
–

Y3Al5O12: Ce (イットリウム・アルミニウム・ガーネットにセリウムをドープ)
Ceは重量比 0.5% のものが多い
発光波長: 540 nm peak (黄色)時定数: 約 70 ns
発光量: NaI(Tl) の 1/3 程度
透明な結晶のため，乱反射がない
耐放射線性も良好
テキスト 2.5.1節

44

•

•
•
•

固体・液体・気体の相の違いを選ばず，絶縁体であれば電子ビームによって電離された
電荷を電場で引き寄せて電極から取り出すことが可能––

固体の場合は電子・ホールペア
液体・気体では電子とイオン––

電離箱領域より低い電圧では電離した電荷の一部が電極に到達する前に再結合するため，一部の電荷のみ検出される
再結合領域とも呼ばれる

–
–
–
–

電離した電荷がほぼすべて電極に引き寄せられて検出される
そのため，この領域では電荷量が電圧にほとんどよらない得られる電荷量が少ないため，電子1個が通過した程度では検出が難しい
電子ビームを直接当てて検出する場合は個数が多いので問題ない–––

電荷が引き寄せられる間に他の分子を電離して電荷が増幅される得られる電荷量は電離した電荷に比例
電子1個が通過した場合でも検出可能

–
–
–
–

電荷の増幅効果が電極間の物質全体にわたって起こる
そのため，電子の損失エネルギーによらず似たような電荷量が得られる
わずかでも電離がおこれば一定の電荷量が得られるので，単純に個数だけを数えたいときに有効
ただし，電離が全体にわたって起こるため，もとに戻るまでに一定時間必要で，その間はデッドタ
イムとなる絶縁体を電極で挟み，電圧をかけて電荷を引き寄せればよい
かける電圧と得られる電荷量には特徴的な関係がある
低電圧での振る舞い

•

電離箱領域

•

比例計数管領域•

ガイガー・ミュラー計数管領域•加速器での電子ビームを扱う際は多数の電子からの電離が期待できるので，電離箱領域を使うのが適当それより低い電圧でも十分な信号が得られる場合はこの限りではない•
2013/7/26

テキスト 2.5.2節

45

•

アンジュレータ区間でのBPMの位置分解能 1 μm 以下•

数μm分解能のビームプロファイルモニタ•

時間分解能 10 fs の時間構造測定システム•

各種バンチ長モニタ–

電子ビームとX線とが数μｍ以内の精度で重なりあっていなければならない–––

規格化エミッタンス 1 mm mrad を測定
エネルギー 8 GeV のときエミッタンス 約64 pm rad
この状態でベータ関数が1 mまで絞られるとビームの半径はわずか8 μm–

3 kA 以上のピーク電流と，それを達成するためのバンチ長 30 fs までのバンチ圧縮を確認する必要あり–

SACLAでは，1 nsで切りだされた電子ビームを速度変調バンチング，および，磁場シケイン型のバ
ンチ圧縮器を3台使用してバンチ長を 30 fs まで縮めていく
各段階でバンチ長を測定できることが重要––

ビームの適切な加速・輸送
ピーク電流を求める際の絶対電荷量–––

磁場シケインの分散部にてエネルギーを測定
各段階のエネルギーはバンチ圧縮率やX線の波長の安定性に重要
エネルギー分散が 100 mm の場合，10 μmの位置分解能が必要––

1 fC が測定可能なビームハローモニタ
高感度なビームロスモニタ––

線型加速器は毎ショット初期条件が微妙に異なるビームがやってくる
複数のビーム診断機器のデータに同期がとれていないと比較ができない–•

電荷量の測定•電子ビームのエネルギー分解能 10-4•

アンジュレータ永久磁石の減磁防止•

同期データ収集システム

2013/7/26

テキスト 3.1節

46•

ビーム位置測定– RF空胴型ビーム位置モニタ (RF-BPM)•

1 μm 以下の分解能を実用的に達成可能な唯一の方法– TM010モード空胴で到達時間も測定可能•

ビームプロファイル測定•

ビーム電荷量モニタ•

ビームの時間構造測定•

ビーム損失・ハロー測定

2013/7/26– OTRや蛍光を利用した 10 μm 以下の分解能を持つスクリーンモニタ– 高速差動CT (Current Transformer)– 高速，かつ，ノイズに強い– 数 100 ps のバンチ長も測定可能– RFデフレクタによる 10 fs 分解能の時間構造測定システム– OTRをストリークカメラで検出することで 1 ps 以下のバンチ長測定– コヒーレント放射を利用したバンチ長測定– 光ファイバ型ビームロスモニタ– ダイヤモンド型ビームハローモニタ
テキスト 3.2節

47

• ビーム軸付近でz方向
電場が線形に変化するモードを検出するとビーム位置が測定できる– TM110モードなど• ここでは，ビームが誘起するTM110モードについて詳しく考える

2013/7/26

テキスト 4.1節

48

•

Beam

2013/7/26

テキスト 4.1.1節

49•

2013/7/26

50

•

Beam

2013/7/26

テキスト 4.1.2節

51

•

空胴長さに対する依存性が強いmBea

2013/7/26

テキスト 4.1.3節

52

• RF-BPMは電子ビームが空胴の中心を通るときに信号が0となる– ボタン形やストリップライン型では各電極からの比較的大きな信号の差をとってわずかな違いを取り出さなければならない– RF-BPMはビームが中心のときに信号がなくなるので，信号を低ノイズに増幅することさえできれば高分解能化が容易• RF-BPMは空胴自体がバンドパスフィルタとなり，
S/Nを上げやすい– 熱ノイズなどはバンド幅に入るものだけを考えればよい• RF-BPMを円筒空胴とした場合，加工時の軸の精度を上げやすい– 高精度な旋盤加工が可能なので，ビーム軸とRF電磁場の軸のずれが少ない

2013/7/26

テキスト 4.1.4節

53•

2013/7/26

テキスト 4.2.1節

54•

2013/7/26

テキスト 4.2.1節

55•

2013/7/26

テキスト 4.2.2節

56

• TM010モードのように空胴の表面電流が放射状にしか流れない場合，スロット内に電場が立たない• TM110モードには軸の周りを回転する電流も流れるので，ス
ロット内に電場が立ち，ポートからパワーを取り出すことができる• 不要なモードの信号を低減することで高分解能化に貢献
2013/7/26

テキスト 4.2.3節

57

位置検出空胴	
 共振周波数 [GHz]	
 

計算値	
 
実測値	
 
4.760	
 4.758±0.005	
 600	
 642±32	
 84.75	
 94.1±2.6	
 40.3	
 43.8±0.8	
 --	
 5.11×105[Ω/m2]	
 
--	
 
電圧振幅
8.2 mV/mm/nC(peak)	
 (50Ωポートにて)	
 
基準空胴	
 
共振周波数	
 4.760 GHz	 4.758±0.005	
 570	
 592±45	 52.47	
 51.2±2.4	
 48.29	
 47.1±1.9	
 
54.7
--	
 
[Ω]	
 
電圧振幅
108 V/nC--	
 (50Ωポートにて)	
 (peak)	
 2013/7/26

テキスト 4.2.3節

実測値は約60台の統計

58

•
•

RF-BPM空胴は3つのブロックにわかれている
空胴の内面は10 μm程度の許容差で精密に加工•

空胴を仮組みしてRF測定をおこない，削り代の部分を削って周波数を
追い込む

•
•
•

2013/7/26– 周波数調整をする部分だけ0.1 mm程度の削り代を残しておく– 旋盤にチャッキングし直すことになるので，削り面が傾かないよう慎重に行う

周波数調整が終わったブロックは真空ろう付けにて接合
接合後，アンテナを差し込み，N型真空フィードスルーコネクタを溶接
溶接後，最終RF測定をおこない，周波数やQ値を確認

テキスト 4.2.4節

59• 設計通りの結果
8

TM010 Frequency

6

15

TM010 Q0

5

5

2
0

0
40 42 44 46 48 50 52 54

400
440
480
520
560
600
640
680
720
760
800

0
Frequency [MHz]TM110 Frequency

Q factor
14
12
10
8
6
4
2
0

TM110 Q0

400
440
480
520
560
600
640
680
720
760
800

12
10
8
6
4
2
0

Frequency [MHz]2013/7/26

TM010 QL

10

10

4

15

Q factor

35
30
25
20
15
10
5
0

TM110 QL

40 42 44 Q
46fa48ctor50 52 54
60

• IQ復調器にて検波– In-phase and Quadrature• IQ復調器の前に切替式減衰器– 測定レンジの切替– 電荷量: 0.1 ‒ 1 nC
– ビーム位置のフルスケール: 100 μm ‒ 10 mm• ベースバンド信号はVME波形記録ボードにて収集– 238 MSPS
– 12ビット or 16ビット

2013/7/26

テキスト 4.3.1節

61• リニアリティ– 誤差1%以下• 位相誤差・振幅誤差– 振幅一定で位相を振った場合– 位相誤差： 0.5度以下– 振幅誤差： 1%以下
– 入力信号の振幅はフルスケールのおよそ7割

2013/7/26

テキスト 4.3.2節

62•

2013/7/26

テキスト 4.3.3節

63•

エネルギー 7 GeV
電荷量 0.1 nC

2013/7/26

テキスト 4.4.1節

64•

2013/7/26

テキスト 4.4.2節

65• あるRF-BPMの較正データ– 横軸： ビーム位置の推定値– 縦軸： 測定値

• 較正前の係数は約17%ずれているが，較正後は約5%のずれとなっている
2013/7/26

テキスト 4.4.2節

66•

2013/7/26

テキスト 4.4.3節

67•

2013/7/26

テキスト 4.4.4節

68•

2013/7/26

テキスト 4.4.4節

69

Y
X

• アンジュレータ区間の20台のRF-BPMの位置分解能を測定• 位置の推定値と測定値は 1 μm 精度で一致• 位置分解能 ＜ 0.6 μm– 7 GeV, 0.1 nC

2013/7/26

テキスト 4.4.4節

70

ある1ショットのデータと推定軌道
データ
推定軌道

推定軌道

データ

2013/7/26

71

•

この2台のRF-BPMの基準空胴の位相を比較

2013/7/26

テキスト 4.4.5節

72

Exit of undulator beamline

Entrance of
undulator beamline

600 fs~100m apart• 電子ビームの到達時間のドリフトが適切にとれている• アンジュレータ区間の上下流で若干の差が見えるのは基準信号伝送用の光ファイバの温度ドリフトと考えられる• 共通の大きな変動は加速器入射部のRF位相変動による
2013/7/26

73

Beam

BPM-BL3-0-6 Y

BPM-BL3-0-6 X

0-5 0-6

BPM-BL3-0-5 X

BPM-BL3-0-5 Y• ビーム位置（図のX軸とY軸）と XFEL 強度（図の色）の相関• どの軌道が最適かがひと目で分かる• 最適な軌道に合うようにフィードバック制御している
2013/7/26

74

• アンジュレータのギャップを変えたときの軌道変動の測定に RF-BPM のデータが使われている– 軌道はステアリング電磁石で補正– 補正量はRF-BPMデータをもとにしたフィードフォワード
テーブルで決定• 軌道再現性は 10 μm 以内
Horizontal

Gap
5.2 mm
4.4 mm
3.7 mm2013/7/26

VerticalGap
5.2 mm
4.4 mm
3.7 mm75

2013/7/26

76• 電子ビームのプロファイルを測定– 10 μm 以下の分解能– SACLAの電子ビームは 8 GeVまで加速されると半径数10 μm– 四極電磁石で絞ると 10 μm 以下になることもある

2013/7/26

テキスト 第5節

77•

2013/7/26

テキスト 5.1.1節，5.1.2節

78•

2013/7/26

テキスト 5.1.3節

79

•

Beam

2013/7/26

テキスト 5.1.3節

80

•

必要な機能

– 最大で2種のターゲットを選択できること•

必要に応じてOTRと蛍光体などが使い分けできるように••

ビーム位置を正確に知るためフォーカスがずれないようにするため– ターゲットの位置精度・再現性が 10 μm以内•

– ターゲットからの光がビームに対して90度方向に出せること

SACLAのスクリーンモニタチャンバ

3段式ニューマチックアクチュエータ（圧縮空気駆動）
ターゲットは鉛直のシャフトに取り付けシャフトは上下でリニアガイドに固定（両持ち）
光を取り出せるよう，ターゲットやミラーが45度の角度で取り付けられる– YAG:Ce はビームに垂直に取り付け
–
–
–
–

(YAG)

(OTR)
2013/7/26

テキスト 5.2.1節

81•OTRターゲット– 厚さ0.1 mmのステンレスミラー

For
frame

• 平面度 3 μm，面粗度 Ra 4.8 nm– エミッタンス悪化の低減，ビームロスの低減

For
screen• エミッタンスはビームが通せなくなるほどまでは
悪化しない

SUS

– 10枚のフォイルを拡散接合して枠を形成– 45度に傾けておくとOTRは90度方向に出る••

AF-995R (Desmarquest)– 主に入射部で使用– 厚さ 1 mm– 45度に傾けておき，90度方向から撮像

YAG:CeBeam
YAG:Ce– 厚さ 0.1 mm• 内部反射の影響などを抑えるため– ビームに垂直に設置し，すぐ後ろのミラーで90度方向に反射• 透明なため，45度に傾けるとビームの軌跡の長さが見えてしまう2013/7/26

テキスト 5.2.2節

82

•
•

レンズ・絞り・CCDカメラなどを一直線上に配置
倍率やフォーカスを自動で遠隔操作できるものと手動のものとがある•

光学分解能の目標： 2 μm

2013/7/26– 自動のものはリニアガイドにレンズなどを載せた– CCDカメラのピクセルサイズが 6.45 μm のため，4倍光学系とした– 4倍のとき，視野が狭くなるので，1ー4倍の可変とした– CCDカメラの移動量 200 mm– 光学系の全長 600 mm– このような長いもので十分に位置精度の高いものが必要
テキスト 5.2.3節

83

•

開口数 NA•

レンズの設計– 2μm程度の光学分解能を得るには NA が 0.2 程度必要
– 光源からレンズまでの距離は100 mm程度必要なため，レンズの直径は40 mm以上– したがって，レンズの直径を 50 mmとした– なお，分解能が低くてもよいところは市販のアクロマートレンズを組み合わせて使用する– OTRの広いスペクトルにわたって収差なく結像できる必要あり• 低分散ガラスの使用– レンズ枚数をなるべく少なく– 光学シミュレーションソフトウェア ZEMAX を使って設計– レンズは3群4枚となった– 光学分解能は 2.5 μm （計算値）

光線追跡結果2013/7/26

テキスト 5.2.4節

84• CCDカメラ– JAI社のモノクロCCDカメラを使用– CameraLinkにてデータを転送– CameraLink切替器で該当するCCDカメラを選択してビームプロファイルを見る

CV-M4+CL	
 
CCD型	
 
2/3型	
 
CCDサイズ	  8.8 x 6.6 mm2	
 画素数	
 1380 x 1030	
 画素サイズ	
  6.45 μm	
 CV-A10CL	
 1/2型	
 6.4 x 4.8 mm2	 768 x 576	 8.3 μm	 • 絞り– 遠隔操作できるよう電動式とした– 日本精密測器社 V-6335RH• 最大開口 直径 35 mm

2013/7/26

テキスト 5.2.5節

85Screen Insert

Image dCamera Selection
Record / Stop

ata

Image tag

Gain Setting

Image tag

Zoom

CCD camera

Trigger• カメラリンク経由でカメラサーバに記録される• GUIで画像の閲覧やスクリーンの選択など各種操作が可能
2013/7/26

86

A-A’断面• グリッドディストーション図表を使用• パターンのエッジの微分（青線）のHWHM (Half
Width at Half Maximum) を分解能とする• 4倍光学系のとき，像面で 9.9 μm の分解能
• 物体面で 2.5 μm の分解能
• 設計通りの結果
2013/7/26

テキスト 5.2.6節

87

OTR

YAG:Ce(0.1mm thick)

13.4 µm(std. dev.)(std. dev.)•

SCSS試験加速器にて測定•

10μmあまりのビーム幅 (標準偏差) を適切に測定•

YAG:Ceの幅が少し広いが分解能の悪化は10 µm以下

2013/7/26

15.8 µm– ビームエネルギー: 250 MeV– 四極電磁石で水平方向に収束– SCSS試験加速器で得られる最も細いビーム
テキスト 5.3.1節

88238MHz Exit

~0.4 MeV

BC1 Exit

Desmarquest

Desmarquest

5 mm
Oct. 1st, 2012

OTR

5 mm

5 mm

~30 MeV~800 MeVYAG:Ce(t0.1mm)

5 mm

L-band Exit

~30 MeV

CB01 Exit

BC2 Exit~400 MeV

BC3 Entrance~1400 MeV

OTR

5 mm

OTR

5 mm
89

Intense C-OTR

Ring-shaped C-OTR• バンチ長が 100 fs 以下になると，コヒーレント
OTR (C-OTR) による異常発光がみられた– 電子ビームに可視光の波長と同程度の時間構造がある
ようだ• ターゲットをYAG:Ceに変えても依然としてC-OTRが発生
2013/7/26

テキスト 5.3.2節

90

YAG:Ce with OTR mask
5 mm	
 

•

5 mm	
 
Squeezed beam
Masked area
~ 5 mmScintillation

2013/7/26

テキスト 5.3.2節

C-OTR
91

φ3mm

t0.1mmYAG:Ce with
Perforated Mirror

Scattered lightfrom hole edge

Beam Image

3 mm	
 
•
•
•
2013/7/26

C-OTR

Beam near the hole edge

電子ビームや YAG:Ce からの C-OTR はそのすぐ後ろのミラーの穴から下流へ逃がす
蛍光だけを穴あきミラーで反射ビームを穴のエッジに近づけると C-OTR が観測される

92

• Qスキャン法

YAG:Ce with OTR mask
(t0.1mm)

Beam

lQ, K

ScreenMonitorL

規格化エミッタンス： 1.09 mm mrad

2013/7/26

テキスト 5.3.3節

σ~ 30 μm
(Minimum)93•

2013/7/26

テキスト 6.1.1節94•

電極によるピックアップ信号

2013/7/26

テキスト 6.1.1節，6.1.2節

95

Magnetic core(µ>10 at 1 GHz)

Negative
port

Positive port
Ceramic insulator

Positive port

φ22

Negative port

Pickup coil (1 turn)•

４ポートあり，２つは正，残りの２つは負の信号を出す•

立ち上がり ～ 200 ps (10 ‒ 90 %)2013/7/26– コイルを逆向きに巻いてある– コモンモードノイズをキャンセルできる– コイルは1巻– 高周波のコアを使用

テキスト 6.2.1節

96

•

•

CTのすぐ近くにプリアンプを設置– CTが拾ったコモンモードノイズを除去– 波形整形し高周波用差動平衡ケーブルをドライブ• 差動ケーブルを用いることで伝送途中でのノイズの混入を防ぐ

クライストロンギャラリの主アンプで増幅・ゲイン調整し，AD変換器へ– 初段アンプで伝送線路に載ったコモンモードノイズを除去– 切替式減衰器でゲイン調整– 後段のVME 238 MSPS 波形記録ADボードに送る

2013/7/26

テキスト 6.2.2節

97コモンモードノイズ波形

ビーム信号生波形

Beam Signal

Remainder
Positive Port

Negative Port•

生波形をオシロスコープで取得•

立ち上がり 約 200 ps (10‒90%)•

コモンモードノイズ

2013/7/26– ビームバンチ長 < 1 ps
– 電荷量 0.3 nC– オシロスコープ帯域 12 GHz– 500 ps 程度以上のバンチ長であれば測定可能– 広い時間レンジで見ると 約 10 μs 周期のコモンモードノイズが見える– 差動信号を差し引くことで，コモンモードノイズを 約 1/10 に低減
テキスト 6.3.1節，6.3.2節

98•BC3の下流にファラデーカップを設置しており，それと直近の高速差動CTとを比較– 高速差動CTは検出回路を通ってAD変換器でとった値•

左図： 高速差動CTとプリアンプの間を短い同軸ケーブルで接続•

右図： 高速差動CTとプリアンプとの間に 30 m の細い同軸ケーブル（外径約 1 mm）を接続– 当初，プリアンプの非線形性が見えていた– 高速差動CTからの信号が速すぎて初段アンプが非線形な応答をしていた– 同軸ケーブルで高周波成分を減衰させると線形な応答をするようになった

対策前

2013/7/26

対策後

テキスト 6.3.3節

99CT-476 の生波形
238 MHz SHB 空胴の加速電圧を変えたときの波形の変化を見た

1ns• 生波形から速度変調バンチングの様子がわかる– 238 MHz SHB (Sub-Harmonic Buncher) のパワーを変えて CT-476 でのバンチ長を変えた– 生波形は 12 GHz 帯域のオシロスコープで取得– 400 ps (FWHM)くらいまでのバンチ長が測定可能

2013/7/26

テキスト 6.3.4節

100

2013/7/26

101

• RFデフレクタ– ビームの進行方向に対して横方向に加速する加速管• ビームをゼロクロス位相に載せると時間に比例したキックを与えられる• 時間構造を空間構造に変換– 時間掃引• その空間プロファイルをスクリーンモニタで撮像• 必要とされる分解能: 10 fs
2013/7/26

テキスト 7.1.1節

102

•

2013/7/26

テキスト 7.1.2節

103

•

2013/7/26

テキスト 7.1.3節

104

•

2013/7/26

テキスト 7.1.4節

105

•

2013/7/26

テキスト 7.1.4節

106• バンチ内の時間とエネルギーの関係（E-t位相空間）がわかると，バンチ圧縮の振る舞いがわかりやすい– 磁場シケインは E-t 位相空間を回転させる働きをもつため• RFデフレクタのキック方向と直角方向にエネルギー分散を出せばよい• RFデフレクタで掃引後に偏光電磁石で曲げる方法– 方法は単純だがセットアップが大がかりになりがち

2013/7/26

テキスト 7.1.5節

107

•

2013/7/26

テキスト 7.1.5節

108

•

CバンドRAIDEN空胴を開発

•

特徴

•

SACLAでのセットアップ– Racetrack-shaped iris-coupling deﬂection structure– 詳細は惠郷先生の講義を参照されたい– 円筒導波管のTM11モードとTE11モードの混成双極モード HEM11 を使用– X方向とY方向のモードの縮退を，レーストラック型の結合孔で解いている– 群速度と位相速度が逆向きのため，RFパワーは下流から印加する– 有効長 1.7 m の空胴 2 本を 50 MW クライストロンで励振して 40 MV 以上のキック電圧を出す
必要横方向偏向電圧	
 VT	
  > 40	  MV	
 バ ンチ長	 sz	
 < 200	
  fs	
 解析ビームのエネルギー	  cpz	
  1.4	
 GeV	
 共振周波数	
 
fa	
 
5712	
  MHz	
 セル間遷移位相(セル移相)	
  bD	
  5p/6	  rad	 群速度（光速比）	
 vg/c	
  -2.13	
  %	
 加速管充満時間	
 
Tf	
 
0.27	
  ms	
 
無負荷Q	
 
Qa	
  11200	 シャントインピーダンス	
  rT	
 
27.7	
  MW/m	 加速管タイプ	 定インピーダンス型	
 共振モード	
 HEM11	
 セル数	 77＋2カップラーセル	
 
1706
L	
 
加速実効長（加速管長）	
 (1807)
	  mm	
 加速管台数	
 2	  台	
 2013/7/26

テキスト 7.2節

109• RF位相の決定– RFデフレクタの位相はゼロクロスなので，RFデフレクタ
をONにしたときに電子ビームの重心位置が動かなければよい– RFデフレクタがONのときに位相を調整し，スクリーンモ
ニタの中央に電子ビームが来るようにする• キック電圧の較正– RF位相の設定値をわずかに変化させたときのスクリーン上
でのビーム重心位置の変動を見る– キック電圧 22 MV のときのデータ– 位相 1 度 に対して 約 3 mm 移動
している– 5.712 GHz の 1 度 は 約 500 fs なので，1 mm あたり 約 170 fs– キック電圧が 40 MV になれば 1 ｍｍ
あたり 100 fs 以下– ビームサイズが 100 μm RMS であれ
ば 10 fs の時間分解能

2013/7/26

110

RFDEF ON
100 fsRFDEF OFF• パラメータ– エネルギー： 1.4 GeV– ドリフト距離： 約 10 m
– キック電圧： 約 40 MV• 10 fs 程度の分解能がありそうである• スクリーンモニタにはYAG:CeとOTRマスクを使用
2013/7/26

テキスト 7.3.2節

111

10 m downstream of RFDEF
t

After switching magnett

EE
シケインのエネルギー分散を漏らして測定

2013/7/26

偏向電磁石で曲げてエネルギー分散を発生

112

•

OTRの時間構造をストリークカメラでとらえれば，
電子ビームの時間構造がわかる– ストリークカメラの時間分解能は最速のもので 200 fs(FESCA-200, Hamamatsu Photonics)•

ストリークカメラの検出原理

•

注意点

–
–
–
–

入射光を光電面に当てて光電子を出す
光電子を加速し，それを時間掃引する掃引された光電子を MCP (Micro-Channel Plate) で増倍
その電子を蛍光面に当て，それをCCDカメラで撮像– 入射光が強すぎると空間電荷効果の影響で光電子が発散して分解能が悪化– 入射光が弱すぎると像がまばらになって正確な測定ができない– 入射光の波長は光電面の感度領域の長波長側に合わせるのがよい•

2013/7/26

短波長の光からの光電子は初期運動量が大きく光電子が発散しやすい

テキスト 8.1節

113•

ストリークカメラはさまざまな微調整が必要なため加速器トンネル内に設置するのは困難– OTR をトンネル外に伝送しなければならない•

OTR はもともと光量が多くない•

収束デバイス•

光電面の長波長端付近を通すバンドパスフィルタの使用– 収束デバイスでコリメートして平行光にして伝送する必要がある– 反射率の高いミラーの使用– レンズのような分散のあるデバイスを使用すると分解能が悪化– 石英ガラスの場合，波長が 100 nm 変わると 屈折率が 約 0.4% 変わる– 屈折率 1.46，厚さ 10 mm の石英ガラスを通過すると波長 100 nm あたり 200 fs の伝播時間差が生じる– したがって，凹面ミラーなどの反射光学系が必要

Streak Camera

2013/7/26

テキスト 8.2節

114

0.542 ps (FWHM)
20 ps

0.308 ps (FWHM)

0.913 ps (FWHM)

XFEL発振状態
S-band Acc.

BC2

C-band Acc.

BC3

S-バンドの位相を 13度ずらす

bypass•••••StreakCameraストリークカメラは BC3 に設置
BC3 をバイパスし、BC2 のバンチ長を測定
Sバンド位相を振ってバンチ長を変えた
1ショットでは光量が足りなかったので
50ショット積算
1 ps (FWHM) 以下のバンチ長が測定できた

2013/7/26

S-バンドの位相を 9度ずらす

テキスト 8.3節

1.42 ps (FWHM)

S-バンドの位相を 17度ずらす
115

•

CTR

2013/7/26

テキスト 第9節

116

To A/D Converter

RF Detector
Antenna
Rectangular
Waveguide••••

入射部のバンチ長: 1 ns  数 10 ps
CTRの波長: 1 GHz ‒ 数 10 GHz
スクリーンモニタの蛍光板からの CTR を検出
検出器にはRF波長計を使用– 断面の異なる矩形導波管を並べており，それぞれにRF検波器を取り付け– 導波管の遮断周波数を利用したハイパスフィルタとなっている– おおまかなスペクトルをとることができる

2013/7/26

テキスト 9.1.1節

117

CTR Intensity [arb. unit]

238MHz SHB の電圧をスキャン
476 MHz 空胴は OFF>3GHz
simulation>6GHz>12GHz>24GHz238MHz Voltage [kV]

• 238 MHz SHB の電圧を上げるとバンチ長が短くなり，CTR強度が増える• 175 kV 付近でバンチ長が最短• それ以上の電圧ではオーバーバンチングされてバンチ
長が長くなる• シミュレーションとよく一致

2013/7/26

テキスト 9.1.2節

118

•

CSR の波長はバンチ長と強い相関がある•

バンチ圧縮器の偏向電磁石からのCSR強度を焦電検出器 (Pyroelectric Detector)
で測定

•
•

– 波長はテラヘルツ領域

CSRのスペクトル– シケインの4台の電磁石のうち，最下流の電磁石からのCSRを検出

非破壊で測定可能
ビューポート1 THz– BC1, BC2 は合成石英を使用– BC3 はシリコン単結晶を使用•

合成石英は数THz以上を透過しないため

Mirror with
Beam Hole

Mirror
CSR
Viewing Port

Dipole Magnet
THz Lens
Detector
2013/7/26

テキスト 9.2.1節

119電荷量依存性

バンチ長依存性BC2~200fs(FWHM)•••

BC2

エラーバーはばらつきの標準偏差BC2 の下流の CSR 検出器のデータ
電荷量依存性– CSR強度は電荷の2乗に比例~400fs~300fs

S-Band Acc.

バンチ長依存性– Sバンド位相を振ってバンチ長を変えた– バンチ長 ～ 300 fs (FWHM)• XFEL 発振時

BC2
CSR

– 位相変化 1度  バンチ長変化 ~ 100 fs– バンチ長に十分な感度がある
2013/7/26

テキスト 9.2.2節

120

• アンジュレータにてビーム損失が発生した
り，ビームハローが永久磁石にあたった
りすると，永久磁石が減磁してアンジュ
レータの性能が悪化• ビーム損失やビームハローをモニタし，永久磁石へのダメージを最小限にとどめなければならない• 許容量– 1 ショットあたり，1 fC 以下• SACLAでの構成– 光ファイバ型ビームロスモニタ– ダイヤモンド ハローモニタ

2013/7/26

テキスト 第10節

121

•

•

2013/7/26

ビーム損失にともなって発生した電磁シャワーの電子・陽電子が光ファイバに当たって生
じるチェレンコフ光を検出–––

チェレンコフ光は光ファイバを伝播し，端の光電子増倍管で検出される
信号強度から損失電荷量がわかる
信号のタイミングから損失の起こった場所がわかる––

使用する光ファイバはコア径が 400 μm と太いものを使用して十分なチェレンコフ光強度を確保
光電子増倍管からの信号は 2 GSPS の高速AD変換ボードで読み出し，強度と時間の両方を記録

SACLAのアンジュレータ区間に光ファイバ型ビームロスモニタを設置

テキスト 10.1.1節

122• ビーム損失は右図のように位置の関数として常時プロットして監視– ここではBL1の上流付近でビーム損失を発生させている• ビーム損失の感度は 0.5 pC
2013/7/26

テキスト 10.1.2節

123Active area

5 mm2

2013/7/26

Seen from on the axis••

電子ビームがダイヤモンド板を通過した際に生じる電子・ホールペアを電極で検出
ダイヤモンドを使う理由•••

SACLAでは厚さ 0.3 mm のダイヤモンドに 100 V のバイアス電圧を印加
アンジュレータ区間上流に設置
電子ビームの航跡場によるノイズを防ぐため，
RFコンタクトで覆っている– 耐放射線性に優れる– 絶縁耐圧が大きい– 熱に強い2013/7/26

テキスト 10.2.1節

124

生波形

•
•
•
•
•

2013/7/26

1 ns 幅の生信号
ダイヤモンドをビームから 1 mm 以内に近づけるとハローが検出されている
ハローの電荷量はダイヤモンドで検出される電荷量の約 1/100
ビーム中心から 0.2 mm 以上離れたビームハローは 0.1 pC 程度
1 mm 以上離れると検出限界の 0.3 fC 以下– 通常，アンジュレータのギャップは 3.5 mm (ビーム中心から 1.75 mm)
以上で運転しているので，ビームハローが当たる心配は無い
テキスト 10.2.2節

125

•

SACLA では SPring-8 の制御システム MADCA を使用•

制御室の制御端末，加速器各所に分散されたVMEシステム，データ保存用のデータベースシステムからなる– Message And Database-Oriented Control Architecture– GUIからの命令は，Message Server, Access Server を経由してVME上のEquipment
Manager (EM) に送られる– EM は命令に応じてVME機器を制御したりデータを取ったりして結果をGUIに返す– VMEシステム上には Poller プロセスが動いており，定期的にデータをデータベースに保存している– データベース上のデータは常時閲覧でき，時間変動や相関関係を調べるのに便利

2013/7/26

テキスト 11.1節

126

•

SACLAのような線型加速器ではショットごとにビームの初期条件が異なる•

SACLAではショットごとのデータの同期をとった上で収集するシステムを導入•

同期データ収集システム––

ショットが違うデータは比較する意味がないことが多い
たとえば，RF-BPM の位置分解能の解析ではこのことが必須––

RF-BPM, CT, FEL強度 などのデータは全ショット収集
スクリーンモニタの画像は全ショットではないがタグをつけて他のデータと同期がとれる–

トリガモジュールなどのボードで加速器のマスタトリガ信号をカウント

–
–
–
–

トリガが来たときに割り込みを発生
割り込み発生時に必要なデータを収集し，トリガカウント値のタグをつけてデータベースサーバへ転送
データの転送にはリフレクティブメモリネットワークを使用
60 pps で全ショットのデータを収集可能

2013/7/26•

カウント値はあらかじめ全VMEシステムで値を合わせておく

テキスト 11.2節

1272013/7/26

128