第19回日本加速器学会年会（オンライン開催）

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2022年10月21日(金)FROB07放射光ビームラインにおけるパルス・モード計測型光位置モニタの評価
Evaluation of a Pulse-mode X-ray Beam Position Monitor (PM-XBPM)
for a Synchrotron Radiation Beamline

青柳秀樹, 大沢仁志, 小林和生, 藤田貴弘, 高橋直Hideki Aoyagi, Hitoshi Osawa, Kazuo Kobayashi, Takahiro Fujita, Sunao Takahashi

公益財団法人高輝度光科学研究センター
Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI/SPring-8)

Outlines▪ 背景（これまでの進捗）
従来型XBPMの限界（高周波特性に関して）
パルスモード型XBPMの発案・試作
原理検証（＠偏向電磁石ビームライン）▪ 耐熱性を高める改良（for 挿入光源ビームライン）
検出部の改良・構造▪ 評価試験（＠挿入光源ビームライン）
位置感度分解能ビーム入射時のビーム変動の観測▪ まとめ2従来型 XBPM の限界

光位置モニター: X-ray Beam Position Monitor (XBPM)

従来型 XBPM （光電子放出タイプ）は世界中の施設で使用されている。
しかし、パルス毎の振る舞いを観測することは出来なかった。

例えば、フィリング・パターン: “203 bunches” mode (uniform filling)

従来型XBPM

Upper-Left

yUL

URx

バンチ間隔:

バンチ電流値:

12 buckets (23.6 ns)~0.5 mA / bunch

LL

LR

従来型XBPMで観測される信号電流
Signal from Upper-Left detector

Measured at ID-BL (BL47XU)

𝑋𝑋 (𝑚𝑚𝑚𝑚) = 𝑨𝑨𝑨𝑨 ×“203 bunches” mode𝑌𝑌(𝑚𝑚𝑚𝑚) = 𝑨𝑨𝑨𝑨 ×(𝑈𝑈𝑈𝑈 + 𝐿𝐿𝐿𝐿) − (𝑈𝑈𝑈𝑈 + 𝐿𝐿𝐿𝐿)𝑈𝑈𝑈𝑈 + 𝑈𝑈𝑈𝑈 + 𝐿𝐿𝐿𝐿 + 𝐿𝐿𝐿𝐿(𝑈𝑈𝑈𝑈 + 𝑈𝑈𝑈𝑈) − (𝐿𝐿𝐿𝐿 + 𝐿𝐿𝐿𝐿)𝑈𝑈𝑈𝑈 + 𝑈𝑈𝑈𝑈 + 𝐿𝐿𝐿𝐿 + 𝐿𝐿𝐿𝐿

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パルス・モード計測型XBPMの設計方針

4
Phys. Rev. Accel. Beams 24, 032803

耐熱性を維持したまま高周波特性を向上させるためのポイント：
1. インピーダンス整合（ 50 Ω ） : マイクロトリップライン構造 を備える電流導入端子の開発
2. 浮遊容量（短時定数）の極小化 : 検出素子（フォトカソード）の小型化。

Vacuumfeedthrough flange

Microstripline
Vertically symmetricalstructure

Photocathode:Ti sputter depositiont = 1 μm

Diamond heatsink
t = 0.3 mm

Cooling base flange

検出素子の試作機

PM-XBPM 初号機の構造
Cooling base flange

Feedthroughflange

Cooling base flange
Cooling base flange

偏向電磁石ビームライン(BL02B1)でトラブルなく3年間稼働

56PM-XBPM 初号機の基本動作の確認 （＠偏向電磁石BL）
孤立パルスの波形

UR

UR
右上UL

UR

LL

LR

UR

S_04272_B

“和”信号
“差”信号

右下

LR

パルス・トレインの波形

反転

PM-XBPM

S_04272_B

同位相

パルス波形の生信号を合成することによって位置情報が直読可能な信号を生成することができる。
位置敏感型の確認
“和”信号
“差”信号

フィリング・パターン: Full-filling （バンチ間隔: 1.96 ns）

モニター筐体を垂直に走査

7

耐熱性向上ための改良

PASJ2021, THP026

挿入光源ビームラインでの運用のためにより確かな耐熱性が必要と考えた。
光軸中心の最大パワー密度

実際に照射されるパワー密度

BM-BL

1.5 kW/mrad2~0.1 W/mm2BM-BL: Bending Magnet Beam Line

ID-BL

~500 kW/mrad2< ~25 W/mm2

ID-BL: Insertion Device Beam Line

1. 検出素子の光軸方向の長さを2倍（冷却面積の増加）
2. くさび型プラグでしっかり固定 （熱伝達率の向上）

初号機

8 mm

改良型

16 mm

初号機 と 改良型 での出力波形の違い

PRAB 24, 032803

8(Cable: SUCO FEED ½” )

初号機

改良型

Tested at BM-BL (BL02B1)

Tested at ID-BL (BL35XU)

3.0 mA / bunch

1.6 mA / bunch
4 GHz B.W., 20 GS/s

Upper-left

・ 波形に変化はなく、基本性能は維持されている。
・ 電流信号の増加は、分解能に有利に働く。
→ID-BLでも、パルスモード計測が期待できる。

4 GHz B.W., 25 GS/s

Upper-left

9

PM-XBPM の波形の特徴
rf-BPM

PUE(PM-XBPM: Pulse-mode XBPM)

PM-XBPM

Photocathode

両極性信号

単極性信号

PM-XBPMは、- 信号処理系を簡素化できる。（ただし、現状では、専用 fast-ADC は未達）
- 従来型XBPMとして動作可能である。（既存のI-V変換器をそのまま使用できる。）
ユーザー運転中は従来型として使用するので、二刀流であることが大事！

10

ID-BLにおける評価試験
位置感度
分解能
ビーム入射時のビーム変動の観測

11

改良型 PM-XBPM の位置感度 : 実験のセットアップ

ビームに摂動を与えて、PM-XBPMのデータを SP-BPMのデータから算出される振幅と比較
RFKO (RF Knockout)
で定常摂動を励起

摂動周波数：
Horz : 28.9 kHz (νx = 41.1382)
Vert: 60.0kHz (νy = 19.3257)

Photon beam position amplitude (yXBPM ) at PM-XBPM can becalculated by SP-BPM measurement data (yBPM).

yBPM = 𝜀𝜀𝜀𝜀𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵 cos 𝜔𝜔𝛽𝛽t

SP-BPM:

Pulse-mode XBPM

SP-BPM

Beam shaker

at BL35XU

Single pass

摂動振幅はiGp12（Dimtel社製）のDAC出力で調整した。
SP-BPM で振幅 100 µm が観測される時を、仮に“nominal kick power 100%” 定義する。

(2)

From Eq. (2) , PM-XBPM,
yXBPM =孤立バンチ(1 mA / bunch)yID = 𝜀𝜀𝜀𝜀𝐼𝐼𝐼𝐼 cos(𝜔𝜔𝛽𝛽t + θ)

ID35:

(1)

yID+L × y’ID

= 𝜀𝜀𝜀𝜀𝐼𝐼𝐼𝐼 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝜔𝜔𝛽𝛽t + θ - L

𝜀𝜀𝛽𝛽𝐼𝐼𝐼𝐼

𝛼𝛼𝐼𝐼𝐼𝐼𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝜔𝜔𝛽𝛽t + θ + 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝜔𝜔𝛽𝛽t + θ

𝑳𝑳2𝛽𝛽𝐼𝐼𝐼𝐼= 3.90 / 1.90 （hor. / ver.）(3)

From Eq. (3) / (1)

yXBPM
=yBPM

𝛽𝛽𝐼𝐼𝐼𝐼 −𝛼𝛼𝐼𝐼𝐼𝐼𝑳𝑳
𝛽𝛽𝐼𝐼𝐼𝐼𝛽𝛽𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵

2+βBPM = 31.32 / 5.73 (hor. /ver.)αID = -1.195×10-5 / 4.61×10-6 (hor. /ver.)βXBPM = 31.16 / = 5.04 (hor. /ver.)L = 20.3 m (distance from the ID to PM-XBPM)

12

改良型 PM-XBPM の位置感度 : SP-BPM で見た振る舞い
垂直方向の摂動を与えた場合

Ver.

hor.

ver.
Turn numberAmplitudeat SP-BPM

Turn number

Nominal kick power: 100%
at SP-BPM

hor.

Beam position (mm)Nominal kick power: 100%

Amplitude
at SP-BPM

Beam position (mm)at SP-BPM

水平方向の摂動を与えた場合

Tune

Tune

縦軸は、SP-BPMのデータから算出したPM-XBPMの設置場所での放射光ビームの振幅算出した放射光ビームの振幅は、
DAC出力値に対して比例関係を持つ

Nominal kick power (%)

13

改良型 PM-XBPM の位置感度 : PM-XBPM を使って測定
Horizontal

𝑋𝑋(𝑚𝑚𝑚𝑚) = 𝐴𝐴𝐴𝐴 ×(𝑈𝑈𝑈𝑈 + 𝐿𝐿𝐿𝐿) − (𝑈𝑈𝑈𝑈 + 𝐿𝐿𝐿𝐿)𝑈𝑈𝑈𝑈 + 𝑈𝑈𝑈𝑈 + 𝐿𝐿𝐿𝐿 + 𝐿𝐿𝐿𝐿yULURx

LLLR

Nominal kick power:
100 %, 75 %, 50 %, 25 %, 0 %縦軸は、PM-XBPMの実測値実測した放射光ビームの振幅は、DAC出力値に対して比例関係を持つ。

Vertical𝑌𝑌(𝑚𝑚𝑚𝑚) = 𝐴𝐴𝐴𝐴 ×Nominal kick power:
100 %, 75 %, 50 %, 25 %, 0 %(𝑈𝑈𝑈𝑈 + 𝑈𝑈𝑈𝑈) − (𝐿𝐿𝐿𝐿 + 𝐿𝐿𝐿𝐿)𝑈𝑈𝑈𝑈 + 𝑈𝑈𝑈𝑈 + 𝐿𝐿𝐿𝐿 + 𝐿𝐿𝐿𝐿

14

水平方向

Estimated amplitude from SP-BPM data(mm)

Measured amplitude by PM-XBPM(mm)

Measured amplitude by PM-XBPM(mm)

改良型 PM-XBPM の位置感度 : 結論
垂直方向

Estimated amplitude from SP-BPM data(mm)

水平方向、垂直方向ともに実用上十分な位置感度を確認した。

15

改良型 PM-XBPM の分解能 : 実験のセットアップ
バンチ電流毎の分解能を評価(Cable: S_04727 B)y

周回時間：
4.8 ms (208 kHz)ULx

0.5 mA, 1 mA, 2 mA, 3 mA, 4 mA, 5 mA /bunch

摂動を与えず、安定して周回するバンチを測定して、PM-XBPMの出力値のRMS値を分解能として評価した。

LL

Pulse-mode XBPM
バンチ間隔:
24 buckets (47.2 ns)

ID gap = 9.6 mm

at BL35XU

HV = +300 V

UL（左上）の検出素子の波形

オシロスコープの画像 (one shot)
3 mA

4 mA

Tektronix MSO64B
4 GHz B.W., 25 GS/s

4 GHz b.w., 25 GS/s

5 mA

2 mA
0.5 mAULURLLLRUR1 mA
HV = +300 V

ID gap = 6 mm

高いバンチ電流値の波形も相似形であることは、正しい位置信号を出力させるための必要条件

LR

16

改良型 PM-XBPM の分解能 : 測定と結果
𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷(𝑈𝑈𝑈𝑈 + 𝐿𝐿𝐿𝐿) − (𝑈𝑈𝑈𝑈 + 𝐿𝐿𝐿𝐿)(𝑋𝑋) =𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑈𝑈𝑈𝑈 + 𝑈𝑈𝑈𝑈 + 𝐿𝐿𝐿𝐿 + 𝐿𝐿𝐿𝐿
𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷(𝑈𝑈𝑈𝑈 + 𝑈𝑈𝑈𝑈) − (𝐿𝐿𝐿𝐿 + 𝐿𝐿𝐿𝐿)
𝑦𝑦 =𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑈𝑈𝑈𝑈 + 𝑈𝑈𝑈𝑈 + 𝐿𝐿𝐿𝐿 + 𝐿𝐿𝐿𝐿

バンチ電流 （>2 mA/bunch） が大きい場合、設計目標の分解能（10 mm）に到達している。
バンチ電流が低い場合でも、オシロスコープの帯域やレンジを最適化することにより、10mmの分解能を達成することができる。
Design goal
H: 4.5 µm std, V: 4.5 µm std in 4 GHz b.w.
H: 1.7 µm std, V: 1.2 µm std in 200 MHz b.w.

17Waveform similarity in variation of ID gap?
ID gap = 12.0 mm

HV = +300 V, 4 GHz b.w.

ID gap = 9.6 mm

HV = +300 V, 4 GHz b.w.

HV = +300 V, 4 GHz b.w.

Narrow band filtered

Normalized

HV = +300 V, 4 GHz b.w.

cf: Waveform in 200 MHz b.w.

ID gap = 6.7 mm

How to avoid the space charge effectPrototype

Modified typeTwo measures to avoid the space charge effect:(1) Applied voltage of the photoelectron collecting electrodes. (HV = +100V -> +500V)(2) Insertion devise (ID) gaps for fixed point observations (FPO). (Wider gap)18

分解についての考察（オシロの入力レンジ）

Pulse heightof collecting electrode

パルス波高（信号量）は、光電子収集電極の印加電圧に大きく依存する。

19

Standard deviationof collecting electrode

信号量が小さくても、オシロのレンジを調整すれば、分解能は低く抑えられる。

改良型 PM-XBPM での入射直後の振動観測 （１） : 単一孤立バンチ
測定用結線図（水平方向）“11/29-bunches + 1 bunch” mode with top-up injection
バンチ電流値
5.0 mA / bunch

周回時間：4.8 µs (208 kHz)

Input:
508 MHz
Output:208 kHzyULURLeftx

Right

Pulse-mode XBPM
ID gap = 9.6 mm

LL

LR

at BL35XU(every 20 ~ 40 s)

Horizontal

20

Vertical

改良型 PM-XBPM での入射直後の振動観測 （２） : バンチト・レイン
縦軸： 差／和フィリング・パターン: “203 bunches” mode (uniform filling)
バンチ間隔: 12 buckets (23.6 ns)~0.5 mA / bunch

前ページと同じ結線でオシロ内部機能のLPF (200 MHz) を使用

今回初めて、ID-BLで放射光ビームのパルス毎の測定に成功した。

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まとめ
1. パルス・モード計測型光位置モニタ（PM-XBPM）の初号機 を改良して、耐熱性の向上を図った。（ ID-BL で安心して使えるようにするため）
2. ID-BL（BL35XU）にて評価試験を実施- 耐久性 :OK （厳しい熱負荷条件下で 1年問題なく稼働）- 位置感度 : 実用上十分な応答を確認 （但し、補正係数が数％のズレ）- 分解能 :
<10 µm RMS （設計目標値を達成）- 入射時の振動観測 : ID-BLで、初めてパルス毎の測定に成功<今後の課題>- 動作条件の最適化（XBPMの印加電圧、オシロの帯域など）- 信号処理（高速ADC）システムの構築（実効的な分解能は信号処理系に依存）- そのためには、ビームラインの利用側と協議して仕様を固める

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