Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

Development of SR interferometer with reflecting focus mirror andthe small beam size measurement at ATF-DR
T. Naito and T. Mitsuhashi,High Energy Accelerator Research Organization(KEK)
1-1 Oho Tsukuba-shi, Ibaraki, 305-0801
Abstract
An SR interferometer with reflecting focus mirror has been developed and the performance was confirmed at KEK-ATF
damping ring. The beam size measurement by using telescope is limited the measurable minimum beam size for thediffraction limit of the lens system. The SR interferometer is one of solution over come the diffraction limit. KEKATF employed the SR interferometer to measure the extremely low emittance beam. The resolution of the SR
interferometer was improved by using reflecting focus mirror. The measured vertical beam size was less than 5µm andthe vertical emittance was 1x10^-11m .

反射式SR干渉計の開発とATFにおける微小ビームサイズの測定への応用
点の大きさはフーリエ変換した関数の干渉度を測定する事によって求められる。[4] 関数 f (y) の複素電子・陽電子リングのエミッタンス計測は、従来、 空間干渉度γは可視領域の放射光を使い、レンズを用いた結像系でγ (ν ) = f (y) • Exp(−i2πν • y)dy(1)
結像させたビームサイズを計測することにより行われていた。 可視領域の放射光の発散角は数mradでと表され、Spatial frequency ν は、あるため、そのdiffractionlimitのために測定可2π能なビームサイズに限界がある。ATFダンピングリ
ν=D(2)
ングの場 合、発 光点か ら７m 下流で diffraction€λL
limitは約50µmである。ATF ダンピングリングでの設計エミッタンスは、それぞれ、水平方向1x10^-9m、である。ここでλ：波長、L：光源からスリット水直方向1x10^-11m であり、放射光モニタの発光点までの距離、D：スリット幅である。実際に計測さに於けるβ関数をそれぞれ、1.5m、2.5mとすると予れる干渉縞の強度分布 I はポジション y 0 の関数とし想されるビームサイズは26µm、5µmである。 このて、ビームサイズの計測はレンズを用いた結像系では不１．はじめに∫可能であることが解る。
SRinterferometerは、KEK三橋により開発されKEKBやATF ダンピングリングのモニタとして使用されて来た。[1][2][3] 当初、ATFで計測された垂直方向ビームサイズは14µm 前後であり使用波長500nmで問題はなかった。しかし、加速器の調整が進むにつれてビームサイズは小さい値が計測されるようになったが6~7µm以下の測定に精度が出ないことが解って来た。測定精度を上げるために使用波長を500nmから400nmへ変える必要が出てきたが干渉縞の結像点を決めているレンズの収差が問題になり、波長による収差の影響を受けにくい球面ミラーを用いたSRinterferometerによって5µm 以下のビームサイズの計測が可能となった。

 2πa  
2πDI(y 0 ) = I0 sinc
y 0  • 1+ γ cos
y 0 + ϕ λR  λR(3)で表される。ここでa：スリットの開口幅、R：レンズから結像点までの距離である。
光源点の分布をgauss分布とするとそのフーリエ変換であるγもgauss分布であることから、そのRMS値を σ γ とすると光源点の大きさσは、σ=λL2πσ γ(4)測定するスリット幅Dを固定するとその点でのγは、

 D2 
γ = Exp −22σγ ２．測定原理
van Citert-Zernikeの定理より、空間干渉度は光源の強度分布のフーリエ変換で与えられることから光源

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(5)

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なので(4)式に代入すると、

σ=λL 1  1 ln πD 2  γ Visibility at 5 µm beam size
1(6)Visibility

３．測定セットアップ

0.60.4

Spherical mirror
f=2000mm

Double slit

0.2

000.020.040.06

0.080.1

0.120.140.16

slit distance(m)図３波長λによるvisibilityの変化

7000mm fromsource point

CCD

Band pass filter
x5 magnifire
λ=400nm
Polalized filter

Mirror

図１

測定レイアウト

わって球面ミラーを用いる必要がある。

４．ATF での縦方向ビームサイズの測定

ATF ダ ン ピ ン グ リ ン グ で は 、 以 前 か ら SR
図１に測定レイアウトを示す。
interferometerによるビームサイズの測定をおこ
ダブルスリットを通過した光は2000mmの球面ミなってきたが[２]、emittanceの調整技術が進み垂直ラーによって結像され干渉縞が作られる。Band passemittanceは~1x10^-11まで調整可能となりSR発光点filter によって波長が選択され、Polarization filterにでのビームサイズは5µm程度が期待されるようになよってσモードの光が選択される。 放射光の発散りと予想されるようになった。今回、球面ミラーを角から計測可能なダブルスリットの間隔は制限され使ったSRinterferometerによって400nm の波長をATFの場合40mm 程度である。図２に各beam sizeによるvisibilityの変化を示す。スリット間隔40mmでは、 使った計測を行った。 図４にATFで計測された干渉パターン の例を示す 。ビームサ イズは、こ のbeam sizeが5~15mmまで変化した時に、visibilityはProjectionの干渉度を(3)式の関数でfit することによっ0.95~0.6まで変化する。しかし、visibilityが１に近づて求めた。
くとCCDのノイズやダブルスリットを通過する光量のアンバランスなどの寄与が大きくなり測定精度が悪くなる。 (6)式で波長λを下げることによってvisibilityを下げることが出来る。図３にその様子を示す。スリット間隔40mm では、λが550~400nm の変化で、visibilityは0.95~0.90までさげることが出来る。 400nm の波長を使用した場合、レンズを使用するとアクロマチックレンズを使用しても収差のためにvisibilityが悪化する。 そのため、レンズに変Spatial coherence(λ=500nm)
15um
7.5um
10um
12.5um15um

0.8

Visibility

€

550nm
500nm
450nm
400nm0.8として求めることが出来る。

図５

SR干渉パターン0.60.40.2

000.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

slit distance(m)図２Beam sizeによるvisibility の変化

図５は、Single bunch運転に於いて Stored currentを変えた時の垂直ビームサイズの変化の測定結果である。 垂直方向エミッタンス調整ノブとして、xycoupling を制御するskew 成分を六極マグネットの補助コイル(SD, SF)の電流によって行っている。
従って、垂直ビームサイズを変えるパラメータとしてSD, SFの電流ON/OFF状態の違いによって、垂直ビームサイズの変化を見ることが出来る。
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図５aは、球面ミラー用いた干渉計でSD,SF-ON、SD-ON、SD,SF-OFFの３条件で3mA(1x10^10)の時、ビームサイズはそれぞれ5.2+/-0.5µm, 6.1+/-0.3µm,10.3+/-0.3µm で あ った 。 また 、 ATF の emittance はIntra-beam scatteringの効果が著しいことが計算で示されているが、ビームサイズはIntra-beam scatteringの効果で強度依存性を持つ様子が観測されている。
図５b,cは、f=600mmのアクロマチックレンズを用いた計測で、それぞれλ=450nm, λ=400nm の場合である。 coupling を制御しても7~8µm以下に下がらない様子が観測された。450nm より400nm の方 がvisibilityが低い値で同じビームサイズになることから、400nmの方が収差の影響が大きいと考えられる。

Spherical mirror(λ=400nm)
1.2 10-5

1 10-5SF,SD OFF

SigmaY(um)8 10-6SD OFF

6 10-6SF, SD ON

4 10-6

2 10-600

1234

５．まとめ

5Cuurent(mA)

図４a 球面ミラーによる測定(λ=400nm)

f=600mm achromatic lenz(i=450nm)
1.2 10-5SF,SD OFF

1 10-5SD OFF

球 面 ミ ラ ー 使 っ た 反 射 光 学 系 の SR
interferometer の開発を行い、ATF ダンピングリングに於いて5µm以下のビームサイズの計測が可能であることを実証した。 ATF での垂直方向ビーム
サイ ズは 、Stored current 4~1mA の変 化に 於い て5~4µmの変化であった。この時のβ関数は、1.7m であり、この値から垂直emittance値は 1.4~0.97x10^11mと計算された。

SigmaY(m)8 10-6

6 10-6

参考文献

SF, SD ON[1] T. Mitsuhashi, “Spatial coherency of the Synchrotron

4 10-6-6

2 100123456Current(mA)

図４b レンズによる測定(λ=450nm)

f=600mm achromatic lenz(i=400nm)
1.2 10 -5

1 10-5SF,SD OFFSD OFFSigmaY(m)8 10-6

Radiation at the Visible light Region and its
Application for the Electron Beam Profile
Measurement”, Proceedingsof the Particle
Accelerator Conference, Vancouver, May 12-16 1997[2] J.W. Flanagan et al., “Development of automatic
beam size measurement system for KEKB”,
Proceedings of the 12th Symposium on Accelerator
Science and Technology, Wako, Oct27-29, 1999
[3] T. Mitsuhashi et al., “MEASUREMENT OF BEAMSIZE AT THE ATF DAMPING RING WITH THE
SR INTERFEROMETER”, PROC. OF SIXTHEUROPEANPARTICLE
ACCELERATORCONFERENCE, Stockholm, 22 to 26 June 1998
[4] M. Born and E. Wolf, “Principle of Optics”,
Pergamon press, (1980)

6 10-6SF, SD ON
4 10-6

2 10-60123456

Cuuernt(mA)

図４c レンズによる測定(λ=400nm)

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