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)

Influence of Harmonics on the Output Signal of Beam Position Monitor
Installed near the Slit,A)

K.Ishiwata1, I.SatoB), K.Hayakawa

B), T.Tanaka

K.KannoA)

B)

A)

B)

, T.Sakai, Y.Hayakawa

B)

A), T.Suwada, K.Nakao, K.YokoyamaA)

B), A.Mori

B), K.NogamiB),C)

Graduate School of Science and Technology, Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501

Laboratory for Electron Beam Research and Application, Institute of Quantum Science, Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501
C)

High Energy Accelerator Research Organization, KEK
1-1 Oho, Tsukuba, 305-0801

Abstract
Three Beam Position Monitors (BPMs) have been already inserted into the end of the linac and the entrance and theexit of the undulator beam line. The phenomena that interact of the signal from the BPMs installed near the slit isdepended on the slit width are observed. Higher harmonics excited at the slit can propagate to the BPM through thebeam duct and influence the signal. The change of this output signal was removed with the low-pass filters. Therefore,
there was not influence to reading of the beam position.

ビーム位置モニターの出力信号への高調波の影響
１．はじめに場所は図１に示す）。

～

BPM5 BPM4
日本大学量子科学研究所電子線利用研究施設
Q5
BMBM
BM
BD(LEBRA)では、2001年5月に1.5µm赤外線自由電子Li nac[1]
レーザー(FEL)の発振に成功し 、2003年度後半から自由電子レーザー（FEL）の本格的な共同利用実
M Q6
BPM6
S
[2]
験が開始している 。FELを効率よく発生させるには高品質の電子ビームから放出された光を、後続のBPM7BM電子ビーム軌道と高精度で重ねあわせることが絶対C
CM6条件になる。そのため、ビーム軌道を知ることがで
ParametricBPM8きるビーム位置モニター(BPM)が重要な役割をはた
X-ray Radiation
FEL
す 。 ま た 、 2004 年 4 月 に パ ラ メ ト リ ッ ク X線 放 射
generator
syste m(PXR)によるＸ線の観測に成功している [3] 。PXRにおいては電子ビームの入射角度が非常に重要になっ
図１．FELビームラインの90°偏向系。てくるので、こちらもBPMが重要な役割をはたす。
(BM : Bending Magnet, Q : Quadrupole Focus, S : Slit,
最初に設置したBPM3台がビーム軌道の制御に有C : Collimator, CM : Current Monitor, M : Mirror, BD :効であることが確認されたので [4,5] 、同等のBPMをBeam Dump)
2003年9月に加速器直線部に4台とFELビームラインの90°偏向系に2台の計6台増設した。さらに、2004
年4月には加速器直線部、PXRビームラインの90°２．スリット近傍に設置したＢＰＭの出力偏向系、PXR発生装置の入口と出口にそれぞれ1台[6]信号の測定の計4台増設した 。
2004年3月にFELビームラインの90°偏向系にあFELビームラインの90°偏向系は図１に示したとるスリット上流部に設置したBPM6において、スおり、45°偏向電磁石・BPM6・Q・スリット・Q・リット幅を変化させるとBPMのからの信号が変化す
Q・Q・BPM7・コリメータ・45°偏向電磁石で形成る現象がデジタルオシロスコープで観測された。こされている。測定はビームエネルギー90MeV、パルの状態ではビーム位置の読み取りに影響があるので、 ス幅20µs、繰り返し2Hz、加速管出口のビーム電流スリット幅を変化させた際のBPM6・BPM7の出力140mAで、スリット幅を1mm間隔で開けながら（た信号およびビーム位置の測定を行った（BPMの設置だし初期値は0.5mmである）BPM6,7の電極出力信号
1E-mail: ishiwata@lebra.nihon-u.ac.jp567

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2π a / 1.841（ た だし、c：光速、2a：ダクト内径である。）
ビームダクトの内径は38.7mmなので、遮断周波数は4540MHzとなり電子ビームの加速周波数2856MHzは遮断されビームダクト内の伝播はしなくなること
より、バンチされた電子ビームがスリットを通過するときに励振されるマイクロ波（基本波、及び高調波）がスリットチェンバーに同調したとき大きな信号となり、このマイクロ波がビームダクト内を伝播して、BPMの信号に影響を与えると考えられる。

検波電圧 [mV]

8040(a) BPM6電極１電極２電極３電極４00510スリット幅 [mm]15208070(b) BPM7605040電極１電極２3020電極３電極４1000510
スリット幅 [mm]1520

図２．スリット幅と検波電圧の関係。
2.5BPM6ローパスフィルターなし
BPM6ローパスフィルターあり
BPM7ローパスフィルターなし

2.0

BPM7ローパスフィルターあり

1.5

1.0
0.5
0.0

３．ローパスフィルターを設置後の再測定-2.0-1.5-1.0-0.5
0.00.5
1.0
Horizontal Position X [mm]1.52.0

図３．ローパスフィルターを設置する前後のスリット幅を変化させた時のビーム位置。

Transmitted Power [dBm]

高調波が原因と考え、電極出力信号をクリスタル検波器で検波する直前にローパスフィルター（日本
高周波（株）製､型式：FL-S-01B、特性を図４に示す。）を設置し同様に測定を行なった。この結果を図５に示す。BPM6は図２にみられたスリット幅により検波出力が著しく変化する現象はなくなり、BPM7の検波電圧も若干低くなった。またビーム位置に換算した結果を図３に重ねて示す（ローパスフィルターあり）。BPM6のビーム位置は、垂直方向の変動は0.1mm以内となり正常な値となったと考えられる。また、水平方向は1mm程度変動しているが、電子ビームのエネルギー変動によるものである
ただし、BPM7はスリットにより電子ビームが切られているため検波電圧が低い時のビーム位置は測定精度が悪いため、ばらつきがある。この結果より、ローパスフィルターを用いて、高調波を検波していた信号を除去できた。

60

20

Vertical Position Y [mm]fc =100

検波電圧 [mV]を ク リ ス タ ル 検 波 器 (Agilent Technologies
製,423B,0.01～12.4GHz)で検波しデジタルオシロス
コープで検波電圧を測定した。ただしBPM6,7の電極は45°傾けて設置してあり、電極1,2,3,4の設置角度は順にπ/4, 3 π/4, 5 π/4, 7 π/4である。
この測定結果を図２に示す。検波電圧はパルス幅18 µs の前後2 µs を除いた14µsの平均をとったものをプロットしてある。BPM6はスリットの上流側に338mmの位置に設置してあるためスリットによる影響は考えていなかった。しかし、図２(a)に示すようにスリット幅により検波電圧が顕著に変化しており、スリット幅が4mmの時はあたかもビーム電流が2倍以上に増えたかのような振る舞いを示した。これをビーム位置に換算した結果を図３に示したが（ローパスフィルターなし）、BPM6, 7ともにビーム位置がランダムに飛んでおり、電子ビーム以外の信号を検波していると考えられる。BPM6はスリットによる影響であり、BPM7はスリットもしくはコリメータによる影響であることが明らかである。
BPMは電子ビームが誘起する加速周波数2856MHzのRFを電極で検波するストリップライン型である。
円形導波管の基本モードはTE11で遮断周波数は次式で求めることができ[7]、20151050

SN:520220-3
SN:520220-6
SN:520220-7
SN:520220-9-5-10-15-20-25-3001234Frequency [GHz]56

図４．ローパスフィルターの特性。
Signal Generatorから15dBmのRFをローパスフィル
ターに供給し、透過電力をPower Meterを用いて測定した。

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参考文献

100(a) BPM6検波電圧 [mV]

80電極１電極２電極３電極４60402000510
スリット幅 [mm]152080検波電圧 [mV]

70(b) BPM7605040電極１電極２電極３電極４302010[1] Y.Hayakawa, et al., “First Lasing of LEBRA FEL in Nihon
University at a wavelength of 1.5 m”,Nucl.Instr. and Meth.
A(2002), Volume 483/1-2,pp.29-33(NIMA18811)[2] T.Tanaka, et al., “日大125MeVリニアックの稼働状況”
Proceedings of this Meeting.
[3] Y.Hayakawa, et al., “日大パラメトリックＸ線源の現状” Proceedings of this Meeting.
[4] K.Ishiwata, et al., “ Development of Strip-Line Type Beam
Position Monitor” Proceedings of the 21st International
Linear Accelerator Conference, LINAC2002, Gyeongju,Korea, August 19-23, 2002, p178
[5] K.Ishiwata, et al., “ストリップライン型ビームポジションモニターの研究” Proceedings of the 28th Linear
Accelerator Meeting in Japan, Tokai, July 30 – August 1,2003, p431
[6] K.Ishiwata, et al., “LEBRAにおけるビーム位置計測システムの開発” Proceedings of this Meeting.
[7] 岡田文明, “マイクロ波工学－基礎と応用－”, 学献社,
p171, 199300510
スリット幅 [mm]1520

図５．ローパスフィルター設置後のスリット幅と検波電圧の関係。

４．今後の課題
現在、LEBRAにおけるBPMは全13台設置されているが、他のBPMの出力信号に高調波による影響があるか確認していない。しかしPXRビームラインの90°偏向系に設置したBPMは同様の現象が起きうるので、早急に必要箇所のBPMにはローパスフィルターの設置を考えている。

５．まとめ
FELビームラインの90°偏向系に設置したBPM6,7において、スリット幅を変化させるとBPMのからの信号が変化する現象が観測された。これはバンチされた電子ビームがスリットを通過するときに励振されるマイクロ波がスリットチェンバーに同調したとき大きな信号となり、このマイクロ波による高調波がビームダクト内を伝播して、BPMの信号に影響を与えると考えられる。この出力信号の変化はローパスフィルターにより除去することができ、ビーム位置の読み取りへの影響がなくなった。

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