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)

Measurement of the photon beam position using a vertical polarized visible SR
beam of the compact electron storage ring HiSOR
I.SakaiA)
A)
A)
B)
A)
, M. Arita , K. Goto , T. Nakahara and T. HoriA)
Hiroshima Synchrotron Radiation Center, Hiroshima University, 2-313 Kagamiyama, Higashi-Hiroshima, 739-8526
B)
Graduate School of Science, Hiroshima University,1-3-1 Kagamiyama, Higashi-Hiroshima, 739-8526

Abstract
A simple method to detect the motion of the photon beam using visible components of the vertical polarized SR has
been proposed. Efficiency of this method was examined by observing the photon beam position, variation of which
occurred due to the electron beam instability. In addition, a possible monitor assembly suitable for VUV beamlines ofcompact ring was investigated.

小型電子蓄積リング HiSORにおける可視光域の垂直偏光角度分布を利用する放射光ビーム位置測定

可視光を利用する放射光源のモニター類は、その取り扱いが容易である点で優れており、可視光域の光学素子、検出器なども豊富であることから、低予算で簡便な新しいモニターの開発が期待される。
小 型 蓄 積 リ ン グ HiSOR [1-4]の放射光ビームの位置や角度の測定法として、可視領域における垂直偏光角度分布の動きを検出することにより光ビーム位置を測定する方法を開発した。本手法はHiSOR の 日 常 運 転 時 に お け る 光 ビ ー ム 位 置 計 測 に適用され、性能を実証する合理的な結果が得られた。本報告では測定の原理と試験結果について述
べ、また、本手法をユーザービームラインにおいて活用する方法について議論する。と 表 さ れ る 。 Cは検出器の感度やその間隔で決まる比例定数、 Iuと Idはそれぞれ光ビームの上側と下側で検出される光強度である。
2.E+111.42 nm(875 eV)

2.E+11Flux (ph/s/mirad^2/0.1B.W.)

１．はじめに24.8 nm(50 eV)

2.E+11
1.E+118.E+10650 nm(1.91 eV)

4.E+10２．測定原理0.E+00

偏向電磁石からの放射光において、垂直方向の偏 光 成 分 の 強 度 分 布 は 図 1に示すように電子軌道面を挟んで上下に対称な二山の分布である。図1に３種類の波長について角度分布を計算した結果を示す。波長が長くなるほど、角度分布の広がりは大きくなる。
本手法による光ビーム位置の測定の原理は、垂直偏光ビームの上下２箇所に検出器を配置して、光ビームが動いたときのそれぞれの光強度の差を検 出 し 、 光 位 置 を 測 定 す る も の で あ る 。 図 2に測定系の概略を示す。このモニターによる光ビームの位置信号 Pは(1)-5-4-3 -2 -1 0123
Verttical observation angle (mrad)45

図 1：放射光の角度分布の計算値
D Iu

Sourcepoint(Iu‑Id)/(Iu+Id)AB

C D IdE

図 2： 可 視 放 射 光 垂 直 偏 光 を 用 い た 光 位 置 測 定 系の 概 略 A:バンドパスフィルター、 B:偏光板、 C:ス
リ ッ ト 、 D: フ ォ ト ダ イ オ ー ド 対 、 E:ピコアンメータ596

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図３に光ビームが動いたときの、位置感度η = ( Iu− Id) / ( Iu＋ Id)について計算した結果を示す。計算で は 検 出 器 間 隔 を 1mrad と し た 。 こ の モ ニ タ ー が光 源 か ら 10 ｍの位置に設置されている条件で、観測角として±0.1 mrad (±1 mm)の範囲内で充分に線形性が保たれていることがわかる。
1の 応 答 を 検 証 す る こ と に し た 。 図 5中央部の縦線
は 電 子 ビ ー ム の 振 動 状 態 の 変 化 (dipole 振 動 ⇔quadrupole 振 動 [5-6]) が 起 き た 時 刻 T1を表している。
T1 を 境 界 に し て 、 上 側 の 光 電 流 Iuの減少の傾きは
小 さ く な り 、 下 側 Id の傾きは大きくなっていることがわかる。これは光ビームが垂直下向きに動いた か 、 または非対称な垂直方向のビームプロファイルの変化が生じたことを意味している。

η=(Iu-Id)/(Iu+Id) 0.8

200.6Calc. 650 nm
160.2
0-0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0-0.20.050.10.15

Intensity (a.u.)

η=(Iu-Id)/(Iu+Id)0.4

0.2-0.4

exp.

12-0.684-0.8-1
Beam displacement angle (mrad)

0‑2‑1.5 ‑1 ‑0.5
00.5
11.5
2
Vertical observation Angle (mrad)

図 3：位置感度の計算値

図 4：角度分布の計算値と実測値

３．実験
3.1 垂直偏光の角度分布測定
光ビームは光源から 7175 mmに設置された光取出し用の銅製ミラーで下方に反射され、ガラス窓を通して大気中へ取出され、アルミ製ミラーにより光 源 の 向 き へ 90度折り返されることにより測定系へと導かれる。波長 650 nm (幅 10 nm) のバンドパス
フィルター (BPFと記す )を用いて単色化し、偏光板(PF と 記 す ) を用いて垂直偏光を抽出した。光強度の 検 出 器 と し て IRD 社 製 の フ ォ ト ダ イ オ ー ド(AXUV100 、 以 下 PD と 記 す ) を採用した。光源から8515 mの 位 置 に PDを置き、上下方向に 0.5 mm間隔(1 mm)で約 40 mm程度動かしながらピコアンメータ(ADVANTEST R8240) を 用 い て 光 電 流を測定した。
図 4に波長 650 nmの角度分布を示す。測定値は計算値とよく一致していることがわかる。

0.550
Dipoleoscillation

T1

(a)

Quadrupole
oscillation

Iu, Id (nA)

0.530

Iu (nA)Id (nA)

9:48

9:52

0.510

0.490

0.470
529:44

9:56
10:00
Time (h.m.s.)

10:04

10:08

(b)

51
V (mV)

3.2 光ビーム位置変動の測定
本 手 法 に よ り 実際に光ビームの動きが検出できる ど う か を 調 べ る た め 、 HiSORのビーム診断専用の ビ ー ム ラ イ ン (BL-8) に 設 置 さ れ た 光 学 ベ ン チ 上に 図 2に 示 す よ う な 光 学 計 測 系 を 整 備 し た 。 光 源か ら 8515 mmの 地 点 に PD対を上下（垂直）方向にに 7.7 mmの間隔で置いた。 PD対が光を見込む角度は 0.9 mradとなる。図 5 (a) に観測された光電流 Iu、Id 、 (b)に ユ ー ザ ー の 真 空 紫 外 光電子分光ビームライ ン (BL-9) で 計 測 さ れ た 光 強 度 Vを示す。 Vは BL-9の前置鏡からの光電流を電圧として読見込み、蓄積電流値の減少に対する補正を施した後の値である。これらの変化を比較することにより本測定法

2.55049V (mV) at BL94847
9:44

9:48

9:52

9:56

10:00

10:04

10:08

Time (h.m.s.)

図 5 ： 時 刻 T1 付 近 で の (a) 上下の光電流 Iu、 Id、 (b)BL-9の光強度 Vの変化
図 6 (a) は (1) 式と測定された Iuと Idを用いて導出さ597

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Position (mrad) = C (Iu-Id)/(Iu+Id)

れた光位置 Pであり、 (b)は BL9の光強度 Vである。 Pを可能にする点である。ユーザーのビームラインの 傾 き は T1 の前後で負から正へと転じている。一における日常的なモニターとしてだけでなく、特方 、 T1 以 降 BL9の 光 強 度 の 減 少 の 傾 き が 急 激 に 大に偏光を利用する実験に向けた光ビームの垂直方
き く な っていることがわかる。このことは本手法
向の中心軸を探るようなアライメントに有効であにより光ビーム位置変動（またはプロファイルのる と 考 え ら れ る 。 図 7 は本手法をビームラインに変化）を捕らえることができたことを示している。 導入する際必要となる可視光取出し機構の概念図である。冷却機構を備えた小さな長方形 Beミラー-0.06( 面 積 10 × 30mm程 度 で 充 分 )の採用など、ビームラ(a)イン後方での放射光実験への影響を出来る限り小Quadrupole
Dipole
さくするための設計上の工夫が考慮されねばなら
oscillation
oscillationT1ない。
-0.07

Be mirror
P = C(Iu-Id)/(Iu+Id)

-0.08

-0.09
529:44SR Beam
9:48

9:52

10:00

10:04

Time (h.m.s.)51
V (mV)

9:56

(b)

10:08

図 7： ビ ー ム ラ イ ン 上 流 部 で の 可 視 光 取 り 出 し 機
構 の 概 念 図 ビームライン上流部に可視光取り出し 用 の 小 さ な 長 方 形 Beミラーを挿入する。光ビームの大部分は後方の観測系へ向かい、一部は光位置測定のため大気中へ取り出される。

50
49

V (mV) at BL948
47
9:44

9:48

9:52

9:56

10:00

10:04

Extractedvisible SRBeam

10:08

Time (h.m.s.)

図 6 ： 時 刻 T1 に お け る (a) 光位置Ｐ、 (b) BL-9の光強度 Vの変化

４．議論
放射光の可視領域の垂直偏光分布を利用する新しい光ビーム位置測定手法を創案し、実際にHiSOR の 光 ビ ー ム 計 測 に 適 用 し 、 そ の 有 効 性 を 確認した。
光位置信号の応答は光取出用ミラーの熱変形のため動くバックグランドを含む可能性を持っている 。 こ れ を 低 減 す るためには、冷却機能を備えたBe 製ミラーの採用が求められる。その他バックグランドとして影響が大きいものには、可視光取出しミラーの面精度や上流側に設置されているスリットやワイヤーによる回折効果などが挙げられる。
今回の実験条件では光電流の読み取り精度は1pA 程度であった。これは光位置の動きとして 20〜50 μ mに 相 当 す る と 見 積 も ら れ た 。 本 実 験 の 後 、シリンドリカルレンズによる横方向の集光や可視域 に 高 感 度 な PD（ IRD UVG20）の採用により、光電流の測定精度が向上し、位置分解能は大幅に改善された。
本 手 法 の特徴は垂直方向の光ビーム中心の追跡

謝辞
本研究を実施するにあたり谷口雅樹広島大学放射光科学研究センター長から多大なご支援をお受けいたしました。

参考文献[1] T. Hori, Proceedings of IEEE Particle Accelerator
Conference, 1999, p. 2400-2403.
[2] M. Taniguchi and J. Ghijsen J. Synchrotr. Radiat. 5(1998), p. 1176.
[3] K. Yoshida, T. Takayama and T. Hori, J.SynchrotronRad. 5, 345(1998).
[4] K. Goto, K. Umemori, K. Yoshida, S. Takenaka, F.
Masakai, T. Fujita, K. Yadomi, T. Kasuga, M. Kato, Y.
Kobayashi, T. Obina, M. Tobiyama, H. Kobayakawa, S.
Oki, Y. Takashima, D. Amano, T. Hori and K.Takayama,Activity Report of HSRC, Hiroshima University, 19981999, pp.15-17.
[5] T.Fujita , K.Goto, T.Kasuga, M.Katho, Y.Kobayashi,F.Masaki, T.Obina, M.Tobiyama, K.Umemori, K.Yadomi
and K.Yoshida, Nucl. Instrum. Methods A, 467-468,2001,
pp.95-98[6] I.Sakai, M. Arita, K. Goto, T. Takahara and T. Hori,
Proceedings of the 14th Symposium on Accelerator
Science and Technology, 2003, Tsukuba, pp. 437-439,
available at http: //conference.kek.jp/sast03/, 2P-010(S086)

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