FRPP69

SuperKEKBにおける陽電子入射ビームのエミッタンス保存
飯⽥直⼦、菊池光男、清宮裕⼆、森隆志、紙⾕琢哉、柿原和久、⼤越隆夫、榎本收志、荒⽊⽥是夫、多和⽥正⽂（KEK）
要旨
電⼦と陽電⼦のコライダーリングのBファクトリーであるSuperKEKBは、世界最⾼の記録の約40倍である8x1035/cm2/secのルミノシティを⽬指している。これを達成するためには、蓄積ビームだけでなく⼊射ビームも⾼い電荷と低いエミッタンスを持つことが不可⽋である。 SuperKEKBからの陽電⼦⼊射ビームに最終的に必
要な電荷量はバンチ当たり4 nC、⽔平および垂直のエミッタンスはそれぞれ100 µmおよび15 µmである。
1.1 GeVダンピングリングを経由して減衰された後の低エミッタンス陽電⼦ビームは、バンチ圧縮システムおよびエネルギー圧縮システムを備えた4つのアークセクションを持つビーム輸送ラインを経由してインジェクターLINACに戻される。 10μmオーダーのエミッタンスを維持するためにビームを輸送することはそれほど簡単ではない。圧縮空洞でのアークとシケインによって⽣成される分散を制御し、アークにおけるX-Y結合を減らすことが不可⽋となる。現在、測定された約1 nCビームのエミッタンスは、⽔平⽅向で450 µmから150 μmに、垂直⽅向で70 µmから30 µmに減少させることに成功した。
この論⽂は、陽電⼦ビームのエミッタンス増⼤の補正について報告する。
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はじめに
LINAC

Injection Points

1.1GeV Damping Ring (DR)for positron

Beam Transport line (BT)Sector1

Sector2

ECS

BT1

Sector3

Sector4(1) ECSfor e+BT2(2) Arc2-3

Sector5V)

SectorCBCSLTRGe

Jarc

SectorB SectorA

⽔平エミz
タンス

(1)

35

BT1 BT2R(LEe+ビームはDRを経由してLERに⼊射するため、⼊射はDR上流の影響を受けにくく、安定。
緑：ワイヤースキャナーでエミッタンス測定可能
ECS(BCS): Energy(Bunch) Compression Systeme+,4e+ targetDR,V)

Arc4

primary e- for e+: Therminic Gune- : RF Gun

HER (ee7G

Arc0BT1

Arc1

世界最⾼ルミノシティを達成したSuperKEKBは世界初のナノビームスキームを採⽤しているため、⼒学⼝径が狭く⼊射ビームに要求される電荷量は⼤きくエミッタンスは⼩さい。

垂直エミz
タンス

(2)

DR

35

BT1 BT2(1) 5セクター→BT1で⽔平エミッタンスが、(2) BT1 → BT2で垂直エミッタンスが、各々爆発していた。
本件は、⽔平、垂直各エミッタンスの爆発の抑制について発表する。

PASJ2020 FRPP69, N. Iida - 2 /7(1) ⽔平エミッタンス爆発の抑制
ゼロクロス加速管に分散が存在する事によってバンチの前後で加速が異なり、その結果⽔平エミッタンス爆発が起こる。
→ LINAC終端のECSで、⽔平エミッタンスが増⼤していた。 ECS: シケイン+ゼロクロス加速管

加速管

設計Optics
ECS

シケイン

BTp

M. Kikuchi

設計上、加速管でのDispersionは０。
測定Dispersion（Y. Seimiya）

ゼロクロス加速管に分散があると、Z-X相関が発⽣し射影エミッタンスが増⼤する。

設計Dispersionからのズレ

このECSの場合のシミュレーションでは、

ECS加速管でhx=0.5m
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<latexit sha1_base64="ZeBZvdBR/v6SuXIStb4PcDSdqC4=">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</latexit>

✏
⇠ 5.6
✏0

(1) ⽔平エミッタンス爆発の抑制

なぜシケインからDispersionが漏れたか？
• シケイン偏向電磁⽯磁場に無視できない多極成分があった。
•

この多極成分磁場は、偏向電磁⽯がC型磁⽯で且つ、ギャップが20mmと狭く磁場が強いために磁場をかけた状態で磁極間距離が縮んでしまったために起こった。

•

⼊射ビームエミッタンスが⼀桁⼤きかったKEKB時代にはエミッタンスが⼤きいため、シケインで漏れた分散によるエミッタンスは無視できたが、SuperKEKBの⼊射ビームに対しては要求値を超えてしまった。

•

偏向電磁⽯の⽔平⽅向に約10mmずれた位置に磁場の多極成分が⼩さい領域があったため、磁⽯のみを移動させて多極成分磁場の影響を⼩さく抑えた。

BL [Tm]測定磁場（T. Mori）

測定Dispersion（Y. Seimiya）

シケイン電磁⽯移動2.86mm
6.4mm-10.77 -13.05mmmm

ECS加速管でhx=0.35m↓
⽔平規格化エミッタンスが500µm0.15mから100µmに⼩さくなった。
シミュレーションとほぼ⼀致。

⽔平⽅向位置 [mm]

BL [Tm]

C型偏向電磁⽯歪みから計算した磁場シミュレーション(T. Kamitani, A. Enomoto)正規形状
Δy = 69 um
Δy = 41 um
⽔平⽅向位置 [mm]PASJ2020 FRPP69, N. Iida - 4 /7

BT1e+e+

Slope1LER

BT−Arc2, 3

M. Kikuchi
BT2
Slope2

LINAC

測定分散 [m]（設計値からのズレ）
測定分散 [m](2) 垂直エミッタンス爆発の抑制

Measured by Y. SeimiyahxhyDhxDhy

BT-Arc3から設計外の⼤きな垂直分散が観測された。
↓ 再現している
測定垂直分散Arc3のBend両端にSkewQを仮定した場合の垂直分散

31.Jan.2020
Gap40mmの上部に6mmの鉄板を挟んだ。

必要なSkew-Qの強さ：
Arc-2：B’l=0.0097 [T]Arc-3：B’l=0.0147 [T]e+ビームのエネルギーが４GeVに上がったことにより、BendのGapを狭くすることで磁場を強くした。Gap上部にのみ板を挟んだため、ビームに対してコイルは上下⾮対称となり、端部でのコイルによる磁場に異常なSkew Quad成分が発⽣したと推測される(M. Tawada)。磁場計算から求められるSkew Quad成分は観測値の1/3であるが、補正を試みた。
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M. Kikuchi

Skew Quad設置

BT-Arc3

強さB0、半径aの円形永久磁⽯を使って、ボア半径ｂの四極磁⽯を作る。

a3B ` = 8B0 2(a + b2 )3/20<latexit sha1_base64="wId9h+dzt995nkH862XrwwqP0Gs=">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</latexit>

永久磁⽯：
磁場強さ1kG、半径15mm、厚さ8mm
Skew Quad:
ボア半径=60mm(Arc-2)、51mm for singlet,
39mm for doublet

16台中、11台を設置した。
① Before installation of skew quads

Y. Seimiya② After installation of skew quads

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まとめと今後• SuperKEKBの4GeV陽電⼦リング(LER)への⼊射エミッタンスを改善した。
• Phase３でのLERからの要求エミッタンスをほぼ達成した。

• ⽔平エミッタンス• ECSシケインからの漏れ分散がECSゼロクロス加速管に及んだため、シンクロベータカップリングが原因でエミッタンス爆発が起こっていた。
• 分散の漏れはシケインのC型偏向電磁⽯が磁場によって磁極が変形したために起こっていたが、ビームが磁場の⼀様性の良い場所を通るように磁⽯を移動することで漏れを約1/3に抑え，エミッタンス爆発が収まった。
• ECSゼロクロス加速管での⽔平分散の漏れはまだ完全にゼロではない。今後はこれを閉じさせるため、シケイン中央に補正Quadの設置等を検討している。

• 垂直エミッタンス• BT Arc2, 3で予期しない垂直分散が観測され、これがエミッタンス増⼤の原因と推測された。
• KEKBからSuperKEKBへの移⾏で、陽電⼦ビームのエネルギーを、3.5GeVから4GeVと⾼くしたが、この時にArc2, 3の偏向電磁⽯のGapに鉄板を挟んだため、SkewQuad成分が発⽣した。
• これを補正するために永久磁⽯で作ったSkew Quadを偏向電磁⽯の両端に設置した（16台中11台）ところ、垂直⽅向分散関数を補正することができ、BT2での垂直エミッタンス増⼤が治まった。
• 今後、残りのSkew Quadを設置予定。
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