BEAM-ENERGY-SPREAD FEEDBACK USING NON-DESTRUCTIVE BEAM
MONITOR WITH EIGHT ELECTRODES
M.Satoh1,A), T.SuwadaA), T.KudouB), K.FurukawaA)
A)
Accelerator Laboratory, High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
B)
MITSUBISHI ELECTRIC SYSTEM & SERVICE CO., LTD.
2-8-8 Umezono, Tsukuba, Ibaraki, 305-0045
Abstract
In the KEK electron/positron linac, a non-destructive beam-energy-spread monitor using multi-stripline electrodes
has been developed in order to measure the beam energy spread at an 180-degree arc and an end of the linac. A fast
data-acquisition system has also been developed for the pulse-by-pulse measurement. The monitor system works wellin the daily operation. Recently, we carried out the preliminary test of the beam-energy-spread feedback, and its result
was sufficient for our purpose. In this paper, the result of the feedback test will be presented.

8電極非破壊型ビームモニタによるエネルギー広がりフィードバック
及びPF-ARリング(一日二回)への定時入射を行ってきた。エネルギー広がりの調整は、ディスパージョ
KEK 入 射 器 は 、 KEKB 電 子 (8GeV) ・ KEKB 陽 電 子ン関数の大きな場所（アーク部など）のスクリーン(3.5GeV)、PF(2.5GeV)、PF-AR(3GeV)の4つのリングモニタを用いて、入射の空き時間を利用して行われへ定常的に入射を行っている。このうち、KEKBリンてきた（図１）。
グへの入射は、シングルバンチ(陽電子は約96nsec
本年初頭より、KEKBリングでは連続入射運転を間隔の2バンチ)入射を行っている。ビームロスの抑通常の運転モードとして確立し、積分ルミノシティ制及び入射効率を向上させて積分ルミノシティーのの向上に大きく貢献している。しかしながら、連続増加を図るためには、ビームを高品質（低エミッタ入射中においては、スクリーンモニタのようなビーンス・低エネルギー広がり）な状態に保つ必要があ
ム破壊型モニタの利用は入射を妨げるため使用不可る。
能である。さらに、エネルギー広がりフィードバッ
この目的のために、ビームのエネルギー広がりをクを行うためには、フィードバックの制御量である測定するための非破壊型ビームエネルギー広がりモエネルギー広がりを、定量的に測定することが求めニタ(ESM; Energy Spread Monitor)[1][2]を開発し、 られる。
入射器のアーク部中央及びECS下流に設置した。
この目的のためには、KEKで開発された非破壊型アーク部では、水平方向にディスパージョンESMが有効である。通常、4電極ビーム位置モニタ(0.76m)があるため、ビームのエネルギー広がりに(BPM)を、水平方向ディスパージョンが大きなビー応じた横方向ビームサイズの増大が生じる。ESMをムラインに設置した場合、電極配置を45度傾けて設用いて、ビームサイズの縦横比の変化を測定するこ置する。このような設置方法は、ビームや放射光がとにより、エネルギー広がりの計測が可能となる。
BPM電極を直撃し、大振幅信号がオシロスコープのまた、ESMからの信号を高速に処理するために、電気回路を損傷する事態を避けるためである。しかLinux/PC及び高速デジタルオシロスコープからなるしながら、直線部に置かれている水平・垂直方向にデータ収集系も構築された[3]。本モニタを用いたビーム監視システムは安定に運用されており、エネルギー広がりフィードバックの試験運用が開始された。

１．はじめに

２．ビームエネルギー広がり測定
2.1 非破壊型エネルギー広がりモニタ
従来の入射器ビーム運転では、約一時間毎のKEKBリングへの入射を行いつつ、PFリング（一日一回）
1

E-mail: masanori.satoh@kek.jp(a) エネルギー広がり小 (b) エネルギー広がり大図１：スクリーンモニタによるエネルギー広がり
測定

Energy Spread Monitor

図２：KEK入射器のレイアウト及びエネルギー広がりモニタ設置場所て開発された[4]。本ソフトウェアは、ログファイ電極をもったBPMではその方向の2次モーメントを測ルと連動して表示画面の更新を行い、測定データの定することができるが、アーク部に設置された45度常時監視を可能にした。
BPMでは、ビームの水平・垂直方向の2次モーメント計測は原理的に不可能である。
ESMは、このような事態を避けるために、8つのストリップライン型電極から構成される。これにより、ビームの2次モーメントが消失する電極配置(45度、軌道135度、225度、315度)を避けつつ、同時に、放射光やエネルギーのずれたビームが電極へ直撃する事を回避する。KEK入射器では、このESMをアーク部中央エネルギー広がり(E=1.7-GeV)及び第三スイッチヤード電子ビーム輸送ライン(E=8-GeV)の二箇所に設置し、常時ビーム監視を行っている（図２）。
2.2 データ収集システム

電荷量

KEK入射器の制御システムでは、UNIX計算機がその基幹部分を占めている。これらとの親和性を考慮し、ESMのデータ収集系は、Linux/PC及び高速デジ
タルオシロスコープ(LeCroy Corp. Wavepro950; 周
波数帯域1GHz, 16GS/s)から構成される。高速オシロスコープのA/D変換器は、8-bitの分解能であるため、測定回数を増やすことにより測定精度を向上させる必要がある。本データ収集系のオシロスコープ
は、入射器のビーム繰り返し（最大50Hz）において、図３：エネルギー広がり履歴表示画面全信号波形を捕捉可能である。さらに、KEKB陽電子蓄積リング入射時の2バンチビームを、バンチ毎に独立して測定可能である。
３．エネルギー広がりフィードバック
オシロスコープ波形の捕捉・高速データ転送及びログファイルへの書き出し部分は、C++を用いた制エネルギー広がりを最小に保ち続けることは、御ソフトウェアを開発した。C++言語を用いた理由
ビーム調整上きわめて重要である。エネルギー広がは、下記の通りである。
りの変動は、主に、RFに対するビーム加速位相の変・ 実行速度の速いコンパイラ言語化によって引き起こされる。KEK入射器では、クラ・ 再利用性が高いオブジェクト指向言語
イストロンギャラリー内に設置されている空調機不・ STL(standard template library)等を利用可能
調により、エネルギー広がりが悪化する事態がまれ
通常の運転モードでは、全ビームパルス（最大に生じている。このようなエネルギー広がりの悪化50Hz）の信号をサンプルし、ESMの8電極に対応したは、入射器内でのビーム透過量の減少・入射効率悪電圧振幅を算出し、各種演算処理（ビーム位置・エ化のみならず、KEKB Belle検出器へのノイズ源となネルギー広がり及び電荷量の計算）を行う。50パルる。このため、エネルギー広がりの常時監視及び調ス毎の平均値を算出し、その標準偏差とともにログ整は、必要不可欠である。
ファイルに書き出している。
図４に、アーク部ESMによって計測された、水平
図３に、ESM履歴表示ソフトウェア画面の例を示
方向のビーム位置・電荷量とエネルギー広がりの相す。本ソフトウェアは、入射器の制御ソフトウェア関図を示す。ここでのエネルギー広がりを示す量は、開発に多く利用されているTcl/Tkスクリプト言語に水平及び垂直方向ビームサイズの自乗差である。こHorizontal position
Charge5x [mm]

82A604Charge [nC]

3-1-22-3-4-6 -4 -2 024608 10 12 14 16 18 20 22222

2nd bunch <x > - <y > [mm ]図４：アーク部ESMによる水平方向ビーム位置・電荷量とエネルギー広がりの相関プロット(10nCモード)

Energy-Spread FB OFF
Energy-Spread FB ON

2202100-51041られる。

2nd bunch <x > - <y > [mm]の図から、エネルギー広がりが大きくなるにつれ、ビームの電荷量が減少していく様子が分かる（図中線A）。本測定は、KEKB陽電子リング入射ビーム(10nC)の1バンチ目について行われたが、他のビームモードでも同様な結果が得られている。本ESM及び履歴表示ソフトウェアによるエネルギー広がりの常時監視を行い、必要に応じてサブブースタクライストロン位相の調整を行う。これにより、エネルギー広がりを常に最適化することが可能である。しかしながら、突発的なエネルギー広がり変化や、長期的かつ緩やかな変化については、履歴表示ソフトウェアでは気付きにくい場合がある。このような場合に対しても、迅速なビーム調整を行うためには、エネルギー広がり最適化フィードバックの導入が必要不可欠であった。

052

10152

1st bunch <x > - <y > [mm]
図 ５ ： ア ー ク 部 ESM に よ る エ ネ ル ギ ー 広 が りフィードバックの結果(10nCモード、1バンチ目のフィードバック目標値を５に設定した場合)

４．まとめと今後の課題8電極非破壊型エネルギー広がりモニタを用いて、エネルギー広がりの最適化フィードバック試験を初めて行った。その結果、10nCモードにおける1バンチ目ビームを、測定のばらつき程度の範囲で、目標値に抑えることが可能であった。現在、さらに効率的なフィードバックアルゴリズムについて検討中である。
2004年夏期メンテナンス中に、入射器下流の陽電子ビームラインへ、新たなESMを設置し、エネルギー広がりフィードバックを行う予定である。

本フィードバック試験では、アーク部ESMを用い謝辞て、1バンチ目ビーム(10nCモード)のエネルギー広8電極非破壊型モニタを用いたエネルギー広がりがりを目標値（本試験では５に設定）に固定するよフィードバックの試験運転に協力して頂き、有益なうに行った。ここで、フィードバックの制御量はエ助言を頂きました、入射器オペレーターの皆様に深ネルギー広がり、操作量をサブブースタクライストく感謝致します。
ロンの位相設定値としたPI制御を行った。図５に、フィードバックON及びOFF時の結果を示す。本図は、2バンチ目と1バンチ目のエネルギー広がりの相関を参考文献示している。
[1] 諏訪田剛, et al., “ストリップライン多電極を用いたフィードバックを動作させた場合、1バンチ目のビームサイズ計測への応用”, 第23回リニアック技術
エネルギー広がりは、ほぼ測定のばらつき程度の範研究会予稿集 (2003).
囲内で目標値を保っていることが分かる。また、1[2] T. Suwada, et al., “ Stripline-type beam-position-monitor
バンチ目の広がりをフィードバックすると、2バン
system for single-bunch electron/positron beams”, Nucl.
チ目の変動幅も抑制されることが見て取れる。これ
Instrum. & Methods. A 440 No.2 (2000) pp.307-319.
は、ビームのエネルギー広がりが、主に加速RF位相[3] M. Satoh, T. Suwada and K. Furukawa “Fast DataAcquisition System for the Beam-Energy-Spread-Monitor”,の変動に起因することを表している。この図から、Proceeding of the IX International Conference on
2バンチ目のエネルギー広がりの変動幅は、1バンチAccelerator and Large Experimental Physics Control
目の2倍程度であることが分かる。この現象は、1バSystem 2003, 2000.
ンチ目ビームによるウェーク場が、2バンチ目のエ[4] <URL: http://www.tcl.tk/>
ミッタンスを増大させていることに起因すると考え