Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 7-10, 2018, Nagaoka, Japan

PASJ2018 FSP004

先端加速器施設(ATF)の現状

STATUS REPORT OF THE ACCELERATOR TEST FACILITY
照沼信浩#, A), 久保浄 A), 黒田茂 A), 奥木敏行 A), 内藤孝 A), 福田将史 A), 荒木栄 A),
A)
A)
A)
B)
森川祐 , 田内利明 , Alexander Aryshev , ATF 国際コラボレーション
Nobuhiro Terunuma #, A), Kiyoshi Kubo A), Shigeru Kuroda A), Toshiyuki Okugi A), Takashi Naito A), Masafumi Fukuda A),A)
A)
A)
A)
B)
Sakae Araki , Yu Morikawa , Toshiaki Tauchi , Alexander Aryshev and the ATF International CollaborationA)
KEK, High Energy Accelerator Research OrganizationB)
http://atf.kek.jp

Abstract

Accelerator Test Facility (ATF) at KEK is a research center for studies on issues concerning the injector, damping
ring, and beam final-focus system for the ILC. The final-focus test beamline called ATF2 aims to establish techniques
to realize the nanometer beam size and its position stabilization at the ILC interaction point. The goal of small beam at
ATF2 is 37 nm which is corresponding to 6 nm for ILC and can be realized by using a low emittance beam from thedamping ring. The nanometer level beam stabilization has been studied by the intra-train feedback system with 133 nslatency. A beam size of 41 nm at the ATF2 focal point was successfully demonstrated. At present, the most important
theme is a study of the wakefield effect on the nanometer beam. It has been conducted using an additional wakefieldsource to reduce the effects from originals in the beamline. Recent status conducted by the ATF international
collaboration is reported.

1.

はじめにKEK の 先 端 加 速 器 試 験 施 設 (Accelerator TestFacility, ATF)では、国際リニアコライダー(ILC)[1]の衝突ビームとして必要とされるナノメートル極小ビーム技術の確立を目指し、先端的ビーム診断装置やビーム調整技術の開発を進めている。
ATF は電子加速器システムであり、光陰極型高周波電子銃、1.3 GeV S バンドリニアック、ダンピングリング、ビーム取り出しラインおよび最終収束試
験ビームライン(ATF2)で構成されている (Fig. 1)。

_________________________________________#

光陰極型高周波電子銃ではバンチあたり最大 2×1010個の電子を生成し、リニアックで加速可能なバンチ列として、ビームパルスあたり最大 20 バンチ（2.8ns 間隔）を生成する。ダンピングリングでは、線型加速器から送られてくるマルチバンチビームを最大で 3 パルス分（つまり 60 バンチ）を蓄積することができる。ダンピングリングへの入射から取り出しまでは約 300 ms である。ATF 全体としてビームの繰り返しは 3.125 Hz としている。ATF の最大の特徴
は、ダンピングリングで生成される低エミッタンスビームを、先端的技術開発に利用できることである。

Figure 1: Layout of the ATF. 100m × 50m.

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定常的に垂直方向 10 pm 程度のビームを利用に供している。今までに達成した最小のエミッタンスは垂直方向 4 pm である。
最終収束試験ビームライン(ATF2; Fig. 2)では、ILC で必要なナノメートル極小ビーム技術開発を行う[2]。これは、垂直方向 10 pm の低エミッタンスビームを利用することで可能となるものであり、そのため、ATF は世界的にもユニークなビーム技術開発の拠点となっている。ATF での研究開発を国際的な協力体制で実施することを狙い、2005 年に協定書に基づく ATF 国際コラボレーションが発足した。
ATF2 ビームラインは、設計から建設にわたり国際的な分担で進められ、2010 年から運用が開始されている[3]。

大きなメリットがある。しかしながら、ビーム調整方法はやや複雑であり、何よりも原理実証が必要であった。ここで ATF の低エミッタンスビームを利用する最終収束システムを構築すればナノメートル極小ビームの実証試験が可能であることが提案され、それを ILC 計画と同じ Local Chromaticity Correction方式で行う ATF2 計画が開始された。
ATF2 計画には二つの重要な技術開発項目がある。
一つは前述したように ILC での衝突ビームサイズを実現するためのビーム最終収束技術であり、もう一つはその極小ビームを衝突点で安定に衝突させるためのナノメートルレベルでの位置制御技術である。
2.1

第一の目標： 垂直 37 nm の極小ビーム開発

ATF2 ビームラインは ILC 最終収束ビームラインと同じ光学設計に基づいている。Energy spread は
0.1 %、natural vertical chromaticity はおよそ 10000 とされ、さらに電磁石の field error に対する許容度はILC のものと同等かより厳しくしている。最終四極電磁石から衝突点までの距離 L*やビームエネルギーの違いなどにより、ILC 設計値の垂直方向ビームサ
イズ 6 nm は、ATF2 においては 37 nm に相当する。
従って、ATF2 で 37 nm の極小ビームを実現することで、ILC 最終収束技術を実証し、更なる高度化への知見を得ることを狙うのである。
ILC では電子および陽電子ビームの衝突散乱をモニターすることで、ナノメートルへのビームサイズ
Figure 2: ATF2 beamline (Final Focus System).
調整（ルミノシティー最適化）を行う。しかしながら ATF は電子ビームのみの加速器であり、この方ビーム運転時間について、震災前は年間 20 週間
法は使えない。直接電子ビームの大きさを測ることであったが、震災後は電気代高騰のため年間 14 週になるが、通常のビームサイズモニター、例えば程度に留めざるを得ない状況である。しかしながら、Optical Transition Radiation (OTR)などの放射モニター、ATF での技術開発に対する海外の関心は高く、訪問金属やカーボンによる Wire Monitor、さらには Laser
者数に大きな変化は無い。とりわけ CERN との間でWire Scanner [5]であっても分解能は 1 μm 程度であは、ILC のみならず CLIC にも繋がる技術開発のたり、37 nm の測定には遠く及ばない。そのためナノめに協定が結ばれており、人的協力に加えて運転・メートル極小ビームサイズの測定は、FFTB 実験保守経費の一部を支援するなど、資金的な協力も生(SLAC, 1990 年代)のために開発された新竹モニター
まれている。
[6]が唯一の装置となる。これは、レーザー干渉縞をもの差しとして電子ビームサイズを測定するもので2. ナノメートルビーム技術開発ある。ATF2 では FFTB の装置をさらに発展させた
ILC の設計ルミノシティーを実現するためには、 ものを使用している(Fig. 3)。
多バンチ加速を実現する超伝導高周波加速技術と衝突点でナノメートルに絞り込む極小ビーム技術が必須である。超伝導加速技術では既に European XFELが運用を開始するなど着実な進展があり、現在は高電界高 Q 値の技術開発が日米欧を中心に進められている。KEK の超伝導リニアック試験施設(STF)でも、本年度のビーム加速を目指して整備が進められている。
ナノメートル極小ビームの技術開発では、1990 年
代に SLAC で Global Chromaticity Correction という収差補正方法による最終収束システムの試験 (FinalFocus Test Beam, FFTB)が行われ、垂直方向 70 nm のビームが確認されていた[4]。現在の ILC 設計では当時とは異なる Local Chromaticity Correction 方式が採用されている。この方式では Global 方式と比べて Figure 3: Schematic configuration of the nanometer beam
ビームライン長を約 1/3 の 700 m に短縮できるなど size monitor at ATF2.

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ATF2 の装置は最終収束ビームラインの focus point 上流で生じたバックグラウンドγ線の低減、ビーム（ILC における衝突点 IP に対応）に設置されており、 位置の安定化、レーザーの安定化など、全体的な高IP Beam Size Monitor, IPBSM と呼ばれている。電子 度化が必須となってくる。
極小ビームの調整では chromatic aberration の補正
ビームに対して干渉縞を動かし、干渉縞の光子と電子ビームの逆コンプトン散乱で生じるγ線数の変動 が重要であり、6 極電磁石およびスキュー6 極電磁(Modulation)を計測する。従って、測定には多数の 石を使って技術開発が進められてきた[8, 9]。2012
ビームショットが必要となる。得られるビームサイ 年に初めて 100 nm の壁を越え、2014 年には FFTB
ズは様々なふらつきの影響を含んだ結果であり、上 実験の 70 nm をさらに下回るビームサイズ 44 nm までビームを絞ることに成功した。さらに、2016 年に限として解釈すべきものとなる。
は次節で述べるビーム位置フィードバックを適用し、世界最小を更新する 41 nm を確認するに至った。
しかしながら、この 100 nm 以下の結果は、設計ビーム強度の約 1/10 となる 1×109 electrons/bunch で得られたものである。光学設計の観点からは、目標の 37 nm に近い値が得られていることから、LocalChromaticity Correction 方式の技術検証は満足のいくレベルにあると判断できる。一方で、ビーム電流の増加と共にビームサイズが増大しており、この原因がビームラインの Wakefield であることが明らかになってきた。ATF2 のナノメートルビーム測定だからこそ見えてきた現象である。言い方を変えれば、この様な Wakefield の影響を定量的に研究することができるのは ATF2 のみであるとも言えるだろう。
ILC の場合では、ATF2 と比べてエネルギーが二桁大きいこともあり、この影響は小さいと評価されている。ATF2 で 41 nm を達成した 1×109 electrons
Figure 4: IPBSM laser crossing system at ATF2 IP.
/bunch の状態は、ILC での設計ビーム強度 2×1010 程度以上に相当すると評価されている。つまり、ILCレーザーの交差角で干渉縞のピッチが決まり、そ における 6 nm 極小ビームの実現のために大きな問れ に 応じ て ビー ムサ イ ズの 測 定範 囲が 決 まる 。 題とはならないと評価されている。とはいうものの、
IPBSM には 3 段階の交差角モードが用意されており、 ATF2 で Wakefield の影響を深く調査し理解すること
設計上は数ミクロンから 20 nm 程度までの測定範囲 は、ILC におけるその評価の妥当性を高めるためにをカバーしている[7]。Figure 4 は ATF2 の仮想衝突 も重要である。
ATF2 では Wakefield の影響を評価するために、点を囲むレーザー交差システムである。
ビームラインの機器構成を変えた比較実験を進めて極小ビームへの絞り込み調整は以下の手順を踏む。 いる。ATF2 ビームライン全体の 1/3 にも及ぶ空洞（１） 最初にビームラインを立ち上げる場合など 型 BPM を取り外したり、ビームパイプ段差を軽減
では、通常、ビームサイズは数 μm を越え するなどして、wakefield の影響を低減させる改造をており、IPBSM の測定範囲外である。その 実施している。Figure 5 は改造前後でのビームサイため ATF2 focal point にはワイヤー径 5 μm ズの電流依存性を示したものである。高いビーム電の挿入式 Carbon wire scanner が組み込まれ 流ではビームサイズが 100 nm を越えてしまうため、ており、これを用いて測定限界 2 μm 程度ま IPBSM の測定モードは 30°、ビームサイズ 100~300nm の範囲での実験である。縦軸は IPBSM のコンプでビームを絞り込む。
（２） 続いて、IPBSM を用いたビームサイズ測定 トン信号強度変化(Modulation)であり、数値が高いほに切り替え、交差角（2°~8°）モードを用い ど小さなビームサイズを意味する。改造後はバンチあたりの電子数が増えても Modulation の低下が大幅て 300 nm 程度まで追い込む。
（３） 次に第二の交差角 30°モードに移り、さらに に改善されており、また絶対値も上がっている。現
在は、積極的に Wakefield の影響を見るために、XY100 nm 程度までビーム調整を進める。
可動ステージの上にWakefield 源となる空洞を載せ、（４） 最後に交差角 174°モードに切り替え、目標位置を変えながら影響を調べている。この方法を応である 37 nm を目指したビームサイズ調整用して、ビームラインで生じる Wakefield の影響をを行う。
打ち消し低減させることなども検討されている。
ここでは必要に応じて交差角を戻し、再調整を繰り返しながらビームサイズを追求することになる。
ビームサイズが小さくなればなるほど、コンプトン散乱の安定な実現とその測定が必須となってくる。

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る FONT システムが構築されており、基本技術の開発と実証試験が精力的に進められてきた (Fig. 6)。
このシステムのビーム位置分解能は、バンチ電荷に依存して改善するが、0.5 ~ 0.2 µm である。最初のバンチ信号を得てから次のバンチに Feedback を与えるまでの時間は 133 ns と実測されている。これはILC で想定するバンチ間隔の半分以下であり、更なる演算処理によるシステムの高度化が期待されている。この FONT feedback により、取り出しラインの場所で、1.7 µm のビーム位置ジッターを 0.29 µm まで低減できることを確認した。

Figure 6: Setup of the upstream FONT feedback.
Figure 5: Beam intensity dependence of the beam
size signals (modulation): measured in October(before reduction of wakefield sources) and inNovember (after reduction), 2016.
2.2 第二の目標：ナノメートルでのビーム位置制御

ILC の電子ビームと陽電子ビームは、それぞれ約10 km に及ぶ加速器ビームラインを通ってくる。そこでは地盤振動や加速器機器の変動を受ける。衝突点での電子・陽電子ビームの衝突を維持するためには、これら極小ビームの衝突点での位置をビームサイズの 1/3 程度、つまり 2 nm 程度に安定化させることが重要である。ILC のビームは 1 ms の時間幅での多バンチであり、最もバンチ数が多いオプションでは 2600 個のバンチが 366 ns 間隔で衝突点に送られてくる。地盤振動などビーム位置を乱す要因となる周期はこれに比べて遅く、結果として 1 ms のバンチ列はコヒーレントに振動の影響を受ける。そこで先頭のバンチから位置ズレの情報を引き出し、後続のバンチ群の位置ズレを補正する Intra-train feedback(FONT)が提案され、Oxford 大学を中心に開発が進められている[10]。
FONT の技術開発は ATF の取り出しビームラインと ATF2 の仮想衝突点の 2 カ所で進められている。
ATF のダンピングリングでは、リニアックからの単バンチを 2 回または 3 回入射し蓄積することで、ILC のバンチ間隔に近い状態を作ることができる。
これを flat-top 300 ns のパルスキッカーを用いて一括して取り出しラインに送る。取り出しラインには、2 台の Stripline kicker と 3 台の Stripline BPM からな

ILC の衝突点は Vertex 検出器で取り囲まれており、ナノメートルのビーム位置ジッターを評価することはできない。一方、ATF2 の仮想衝突点ではナノメートルレベルの分解能を有する空洞型 BPM を置くことで、ビーム位置の安定化を直接確認できると期待されている。ここでは 2 nm 程度の分解能を持
ち 150 ns 後の後続バンチとの信号分離を可能とす
る Q 値の低い空洞型 BPM が必要となる[11]。ATF2
では、ビームサイズを測定する IPBSM レーザーを通す必要があるため、仮想衝突点(IP)を挟んで、上流に一体化された BPM2 台、下流に独立な 1 台を、同じ真空チェンバー内に設置している(Fig. 7)。各々の BPM ブロックには相対位置調整や感度較正を行うためにピエゾムーバｰが取り付けられており、上下左右に 150 µm 動かすことができる。
ここで Feedback の限界を決定するのは BPM の位- 1279 -BPM*A&B

BPM*C

IP
Piezo*Movers*(Cedrat)
Vue isométrique*********
Piezo*Movers*
Echelle : 2:5*****
(PI)


Figure 7: Cavity
BPM on piezo mover for ATF2.
"

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ILC 最終収束ビームラインでのビームサイズ測定
置分解能である。見極めたいビーム位置の安定度は2 nm であるが、この分解能を実現する BPM は技術 は、非破壊型モニターであり大強度のマルチバンチ的に容易ではない。実際のところ、ILC で FONT- ビームに耐えられるレーザーワイヤーが想定されてBPM が設置できるのは衝突点から 2ｍほど離れた位 いる。しかしシステムの簡便性や保守性の観点から、置であり、ビームサイズは µm に近く、2 nm の分解 Optical Diffraction Radiation (ODR) monitor の開発[16]能は必要とされていない。しかしながら、ナノメー も CERN により進められている。
CLIC では、床振動によるビーム位置のズレを高トルでの位置安定化を直接確認できるのは ATF2 以外には存在しないことから、可能な限り分解能を追 速で補正するために、ビームが来る前に、あらかじめ床振動を測定して対応する補正キックを生成する
求して安定化を直接評価することを目指している。
IP での空洞型 BPM を用いた FONT feedback 試験 feedforward 技術が検討されており、この技術開発もの結果を Fig. 8 に示す。昨年までに得られていた ATF2 を利用して進められている。CERN から高感Feedback の結果は、200 nm 台のビーム位置ジッター 度振動計 14 個が持ち込まれ、FONT フィードバックを 80 nm 台に低減するもの[12]であったが、現在は と連動させるなどの試験が進められている[17]。
ほぼ 40 nm 程度まで低減することができている。これは BPM 読み出し位置分解能の改善によるもので 4. まとめある。現在の分解能は 40 nm であり、これにより先端加速器試験施設(ATF)では、国際リニアコラfeedback 性能が制限されている。BPM 読み出し系の イダー(ILC)で必要とされるナノメートル極小ビーム試験では、単バンチで電荷を上げたビームに対して の技術開発をはじめ、各種の先端的ビーム診断装置20 nm の分解能が確認されている。今後、マルチバ やビーム制御装置など、多くの加速器でも展開が期ンチでの feedback 試験においてビーム強度を上げて 待される技術開発を進めている。国際コラボレー
いき、更なる安定化、技術の確認を進めていきたい。 ション体制のもとで国内外から多くの研究者が参加しており、特に大学院生の教育の場として重要な役割を担っている。
ナノメートルビーム技術開発を行う ATF2 では 40nm 台のビームサイズを実現すると共に Wakefield の影響評価試験を進めている。衝突点でのナノメート
ル位置制御技術開発は、空洞型 BPM の分解能を改善しながら進めており、ビーム位置ジッターを 1/6以下に低減するなどの成果を得ている。その他、CLIC との技術開発も進められており、ILC 技術の更なる高度化を狙った総合的なナノメートルビーム技術開発が進行している。

参考文献[1] ILC Technical Design Report (2013);

https://www.linearcollider.org/ILC/Publications/TechnicalDesign-Report

Figure 8: Beam position at IP BPM w/wo FONT.

[2] "ATF2 Proposal", KEK Report 2005-2 (2005).
[3] P. Bambade et al., Phys. Rev. ST-AB 13, 042801 (2010).
[4] V. Balakin et al., Phys. Rev. Lett., 74 2479 (1995).
３. その他の技術開発[5] L. J. Nevay et al., Phys. Rev. ST-AB 17, 072802 (2014).
近年、ATF の研究開発において、CERN との共同 [6] T. Shintake, NIM A 311, 455 (1992).
開発の比重が大きくなってきている。これは ILC の [7] T. Suehara et al., NIM A 616, 1 (2010).
みならず CERN が検討を進めている CLIC にも共通 [8] T. Okugi et al., Phys. Rev. ST-AB 17, 023501 (2014).となるナノメートルビーム技術開発があること、更 [9] G. White et al., Phys. Rev. Lett. 112, 034802 (2014).
[10] P. Burrows et al., Proceedings of IPAC2014, TUPME009には ILC 以上に先端的な技術開発が必要であり、(2014).
ATF2 でのビーム試験が効果的なためである。CLIC [11]S. W. Jang et al., IEEE TRANS. ON NUCLEAR SCIENCE,の 最 終 収 束 ビ ー ム で は 、 ILC の 5 倍 も 大 き いVOL. 64, NO. 8, 2353-2360 (2017).
Chromaticity の補正技術が必要であり、それは ATF2 [12]T. Bromwich et al., Proceedings of IPAC2017, Copenhagen,Denmark, TUPIK112 (2017) .
において 20 nm のビームサイズを実現することを意[13] M. Patecki et al., Phys. Rev. Accel. Beams 19, 101001
味する[13]。この究極の極小ビーム技術開発のため(2016).に CERN から Octupole magnet を持ち込み、ATF2 [14] S. Liu et al., NIM A 832 (2016) 231–242.
ビームラインでのビーム調整試験が進められている。 [15] N. Fuster-Martínez et al., Proceedings of IPAC2017,
Copenhagen, Denmark, TUPIK075 (2017).
ILC や CLIC にとってビーム開発と共に重要なの[16]
R. Kieffer et al., NIM, B 402, 88-91 (2017).
が測定器に対するバックグラウンドの低減である。
[17] D. Bett et al., Proceedings of IPAC2017, Copenhagen,
そのために最終収束ビームラインでのビームハロー
Denmark, TUPIK097 (2017).の理解、collimator の開発が進められている[14, 15]。

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