Development of the Cavity BPM for NLC
内藤孝、R. Johnson*, S. Smith*, Z. Li*, J. Rifkin*, V. Smith*
高エネルギー加速器研究機構〒305-0801 つくば市大穂１−１*SLAC, Stanford Linear Accelerator Center, 2575 Sand Hill Rd Menlo Park, CA 94025, USA

概要
Stanford Linear Accelerator Center(SLAC)では、将来加速器計画(NLC)の技術開発が進められているが、リニアックやビームトランスポートでのビーム位置を高精度に測定するためのビームポジションモニタ(BPM)も重要な開発項目のひとつである。我々は、ｘバンド周波数のキャビティ BPM を設計、プロトタイプを製作し、その特性を測定した。アンテナ信号の測定試験で 0.23micron の位置分解能を持つことを確認した。

１．はじめに
Stanford Linear Accelerator Center(SLAC)で開発が進められている Next Linear Collider(NLC)計画は、全長25km に及ぶ２つの対向するｘバンドリニアックにより構成される大規模加速器である。その実現のためには多くの開発項目があるがウェークフィールドによるエミッタンスの増大を防ぐために高精度のビームコントロールが要求される。ビームコントロー
ルに不可欠なビームポジションモニタ(BPM)の位置分解能がその重要な役割を担う。 現在、一般にリニアックで用いられている BPM にはストリップラ
イン BPM がある。ストリップライン BPM の測定感度は、電極の長さ(L)の L/4 の波長の周波数に最大感度がある。 測定回路は、周波数が低いほうが S/N的に有利なので測定精度をあげるために電極形状を大きくせざるを得なくなる。SLAC の FFTB で用いられたストリップライン BPM は、１ミクロンの分解能を持つが電極は１ｍにも及ぶ。NLC で要求される BPM は、分解能 0.2 ミクロンであり、リニアックの Q マグネットの位置に設置するにはスペース的にも小さい必要がある。SLAC では、ストリップラインに代わる BPM としてｘバンド周波数の TM110モードを検出するキャビティ BPM(CBPM)の開発を進めている。 CBPM は、すでに幾つかの研究所で開発、テストされているが[1][2][3][4][5][6]、その特徴は高感度であること、信号処理系に高周波(GHz 帯)の信号処理が必要なことなどである。NLC 用の CBPMの特徴は、位置依存性のある TM110 モード信号に対し、キャビティの基本モードである TM010 モードは測定エラーの原因になるが、キャビティに磁気カップルの Wave-guide port を設け TM010 モードが出力信号にカップルしないように設計されている。

２ ． CAVITYBPM の 設 計 パ ラ メ ー タ
表１に CBPM の設計パラメータを示す。また、図１に CBPM の構造、外観を示す。
Parameter
Value
Dipole frequency
11.4 GHz
Monopole frequency
7.66 GHzWall Q~4000
Beam aperture radius
6mm
Sensitivity
7mV/nC/µm
Bunch charge
0.7x1010 e
Required resolution
σ=200 nm
表１ 設計パラメータ
Wave-guide
Feed throughFeed through

BeamSensing cavity
Refence cavity

図１

CBPM の構造

CBPM は、ビーム位置検出のための検出キャビティ、ビームの位相情報を検出するためのリファレンスキ
ャビティから成る。検出キャビティには、TM110 モード信号にカップルするよう４方向に Wave-guideport が取り付けられている。信号を取り出しやすいようにフィードスルーによって同軸信号に変換している。原理的には、TM110 以外の信号による補正が必要なければ、Ｘ，Ｙ、２方向信号のみで測定は可能である。従って、Ｘ，Ｙそれぞれの反対方向の出力ポートはダミーロードに置き換えることも可能である。リファレンスキャビティは、TM010 モードが11.4 GHz であり、電場カップルによってフィードスルー同軸に信号を取り出す構造になっている。

３．測定

ModeFrequency

QL

本測定は、スケジュール的にテスト用 CBPM の製作が途中であったため、キャビティ部分のエンドキャップおよび Wave-guide は溶接されておらず、信号の取出には測定用のジグを製作し Wave-guide の役目をさせ、フィードスルーの代わりに WR-75 の市販の Wave-guide coax 変換アダプターを用いた。
そのため、キャビティ部分の電気的接触、Wave-guideの電気的接触に問題があることを念頭において進められた。
測定は、図２に示すようなアンテナを製作し、入出力の応答をネットワークアナライザで観測することによって行われた。アンテナの位置をｘ，Ｙステージで動かし励起した信号に対する TM110 モード信号の出力 port への振幅応答を見ると、アンテナの位置がキャビティの中心を最小値としたＶ字カーブとなる。

TM01
TM11TM21TM31
TM028.64GHz
11.37
15.2819.34
表３ 計測値~200~350~110-Ｑ値に関しては、予想したとうり大きく下回っている。これは、前述の理由から電気的接触に問題があるためと思われる。 Ｑ値に関して測定したのはＱＬであり、計算で求めた Q0 を求めるためにさらに詳しい測定が必要であるが Wave-guide のカップリングが小さいことから Q0 はＱＬと大きく変わらないと推測され、これ以上の測定は行わなかった。

3.1 周波数モード測定
図３にアンテナの位置をｘ方向に１ｍｍずらした時の出力 port へ現れた周波数応答を示す。基本モードである TM010 が低く押さえられていることが解る。MAFIA による計算値と、各ピークから求められる各モードの周波数、Ｑ値を表２，表３に示す。
各モードの周波数は、計算値より僅かに低いが概ね一致している。20GHz を越える周波数はネットワークアナライザの性能上測定出来なかった。また、計算では予想されない幾つかのピークが観測された。
これは、Wave-guide 部の反射やキャビティ外側のフィールドによる信号と思われる。
ModeFrequencyQ0TM018.72GHz
3629
TM1111.44285
TM2115.95131
TM3120.25183
TM0220.88470
TM1223.8
表２ MAFIA による計算値

図３

周波数応答特性3.2 位置応答特性
アンテナの位置をｘ，Ｙステージで動かし TM110モード信号の応答を測定した。測定された振幅特性は、最小値付近で湾曲している。（図４） これは、
TM110 モードが非常に小さくなっても、外のモードのテールなどの信号が残っているためと思われる。
この時、各アンテナ位置での振幅、位相の変化を見ると。
-3

2.8

Cavity Response vs. Antenna Position

x 10

2.75

2.7

N-Type connector

antenna

NetworkAnalyzer

Position
XY stage
NetworkAnalyzer

BPM Response Magnitude

Amp2.65

2.6

2.55

2.5

2.452.4

図２ＣＢＰＭの測定セットアップ
2.35-30-20

図４-10010
Antenna Position (microns)

20

アンテナ位置応答

3040-3-1.2

ら図４の応答特性を補正すると図７が得られる。得
られた分解能に関して、ｘ，Ｙステージの精度は0.1micron であり、位置を決めるマイクロメータの最小読み値は 0.5micron であるため、エラーのほとん
どはアンテナの機械的位置精度から来ているものと思われる。これ以上精度の高い測定をするためにはピエゾアクチュエータなどが必要になると思われる。

Complex Response

x 10-1.4-1.6Im(A)-1.8-2

3.3 中 心 位 置 測定-2.2-2.4-2.6-2.8

00.5

11.5

22.5
x 10 -3Re(A)

図５

振幅、位相特性
Measured Position vs. Antenna Position

4030Resolution = 0.22909 microns rms

BPM Measurement (microns)

201003.2 の測定では、信号がゼロになる点を仮定して補正することによって中心値を決めた。しかし、その点が CBPM の中心値である保証はない。最終的には、ビーム応答によって機械的エラーも電気的エラーも含めた中心値測定を行うことが可能であるが、アンテナの機械的位置を三次元測定器(CMM)で測定し、電気的中心と比較した。結果、約 125micron の誤差が測定された。これは、CMM の測定がアンテナをキャビティから 20mm 引きだした状態で測定したためｘ，Ｙステージの設置精度から実際にアンテナをキャビティ内に挿入した状態での位置からずれる可能性があること。アンテナは片持ちであるため測定時に曲がってしまい、ちゃんと測定されなかった可能性があることなどから精度に疑問が残る。

４．まとめ-10-20-30-30-20-10010
Antenna Position (microns)

203040

NLC で使用される予定の CBPM の特性測定を行い、TM010 モードの抑制の確認とテストベンチ上で0.23micron の分解能を得た。この測定により CBPMの基本的動作を確認することが出来た。今後、溶接後の特性測定、ビームテストなど予定されている。

図６振幅、位相信号による位置データ

参考文献
1.6x 10-3[1] W. Schnell et. al.,”CLIC Beam Position monitor

Cavity Response vs. Antenna Position(Calibrated)

BPM Response Magnitude

1.2

10.8

0.6

0.40.20-30developments”, CLIC Note170, CERN SL/92/-33
et. al., ”Measurement of the Precisionof a CLIC Beam Position monitor”, CLIC Note 189,
1993
[3] V. Balakin et. al.,”Experimental Results from aMicrowave Cavity Beam Position Monitor”, Proc. ofthe 1999 PAC, New York, 1999
[4] T.Shintake, “ Development of Nanometer Resolution
RF-BPMs”, Proc. of HEACC’98, Sep. ’98, Dubuna[5] T.Shintake et. al., “ THE FIRST WAKEFIELD TESTONTHE
C-BANDCHOKE-MODE
ACCELERATING STRUCTURE”, Proc. of PAC’99,
1999, New York
[6] T.Slaton
et. al., “ DEVELOPMENT OF
NANOMETERRESOLUTION
C-BAND
FREQUENCY BEAM POSITION MONITORS IN
THE FINAL FOCUS TEST BEAM”, LINAC ’98,Chicago, Aug.1998, SLAC-PUB-7921[2] J.P.H.Sladen

1.4-20

図７-10010
Antenna Position (microns)

203040補正による位置振幅特性

図５の様な関係が得られる。この値から各アンテナ位置での振幅、位相のデータが得られたので図４を補正することが可能である。信号はアンテナ位置に対してリニアな関係にあると仮定しているからリニアフィットに対するエラーから分解能が求められ、0.23micron と計算された。（図６） このデータか