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)

MEASUREMENTS OF LINAC BEAM PARAMETERS USINGSTREAKCAMERA AT NEWSUBARU STORAGE RING
T. Matsubara1, S. Hisao, Y. Shoji, T. Asaka A), S. Suzuki,A)
NewSUBARU, Laboratory of Advanced Science and Technology for Industry, University of Hyogo
1-1-2 Kouto, Kamigoori-cho, Ako, Hyogo 678-1205
A)
SPring-8, Japan Synchrotron Radiation Research Institute1-1-1 Kouto, Mikazuki-cho, Sayo, Hyogo 679-5198
Abstract
We measured beam parameters of the linac using a streak camera in the storage ring. The SPring-8 linac is an injector,
which supplies 1.0-GeV electron beam to “NewSUBARU”. The synchrotron radiation facility NewSUBARU is a 1.5GeV storage ring at the SPring-8 site. We observed a synchrotron oscillation of the injection beam in the storage ringusing a streak camera. We got energy distribution and energy deviation of the injection beam from the storage ringenergy for each linac bunch in a macro pulse. We also clarified an effect of the Energy Compression System (ECS) onlinac beam.

ニュースバル蓄積リングのストリークカメラを用いた線型加速器
ビームパラメータの‫ڐ‬測１．はじめにニュースバル[1]は兵庫県立大学(旧姫路工業大学)‫ݗ‬度産業科学技術研究所(LASTI)の付加০備であり、ఫX線から真空紫外線までの領域をカバーする1.5GeV ஢子蓄積リングである。ニュースバルの主要パラメータを表1に示す。ニュースバルへのビーム入射は SPring-8 の 1.0GeV 線型加速器を用いている。線型加速器の主要パラメータを表２[2]に示し、シンクロトロンを含む全体の概要図を図１に示す。
線型加速器は両リングへの入射条件によってビー
ムパ ル ス 幅を ০ 定 し 、生 成 し た ஢子 ビ ー ム を1.0GeV まで加速してそれぞれのビーム輸送系へ振り分ける。線型加速器は入射ビームエネルギーの安定化とエネルギー幅の圧縮のため、２０００年よりエネルギー圧縮・安定化システム(ECS)[2,3] を導入している。ECS はエネルギー分散 h = 1m のシケイン軌道を形成する４台の偏向஢磁石と、それに続く加速管からなる。஢子ビームはシケイン൉を通過する際、エネルギー幅に応じた行路差をバンチ内に†生じる。このため、後段の加速管で有意なエネルギー変調を与えることでバンチのエネルギー幅を圧縮し、エネルギー変動の安定化をする。加速管はସさ3m の進行波型定勾配加速管であり、エネルギー幅2% (full width)、バンチସ20ps のビームに対して7MV/m の஢界強度で0.6% まで圧縮が可能である[2]。通常、ECS の評価測定は線型加速器とシンクロトロンを結ぶビー ム輸送系(LSBT)のエネ ルギー分散 h = 2.3m の位置に০置したビームプロ
ファイルモニターで行っている。しかし、この方法
では஢子ビームのベータトロン振動の寄与を補正する必要がある。また、得られるビームプロファイル
はビームパルス幅内の複数のバンチを積分したものであり、個々のバンチを単独に‫ڐ‬測することはできない。このため、我々はニュースバルに০置したス
トリークカメラを用いた‫ڐ‬測方法を導入した。この方法ではリング入射直後のシンクロトロン振動を観測して入射ビームのエネルギー分布や中心エネルギーを‫ڐ‬測する。この場合、஢子ビームのエネルギー振動のみを観測するため、ベータトロン振動の寄与を補正する必要はない。また、ビームパルス幅内に複数のバンチを含む場合でも、リングへの入射位相が個々のバンチで異なることを利用してバンチ毎の‫ڐ‬測を行うことが可能である。
NewSUBARU
streakstreakcamera
camera(BL6)(BL6)

electron gun
chicane of ECS
chicaneof ECS

(m)
0

linac
Linac

2040

booster
synchrotron
booster
synchrotron

図１： SPring-8 線型加速器、ブースターシンクロ
トロン及びニュースバル

†1NewSUBARU

electron gun

E-mail: taka@lasti.u-hyogo.ac.jp

168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)
表１：ニュースバルの主要パラメータ
Parameters
Value (at 1.0GeV)
RF frequency
500 MHzRF voltage
130 kV
Synchrotron oscillation frequency
6 kHz
Synchrotron oscillation Damping time
12 ms
Harmonic number
198
Natural emittance
30 nmrad.
Natural energy spread
0.048 %Natural bunch length
40 ps (FWHM)の‫ڐ‬測結果を図3に示す。図３は入射２０回分の積算であり、フレームの縦ࡃは‫ݗ‬速掃引方向、横ࡃは低速掃引方向にあたる。また、それぞれのフルスケールは500ps、100μs である。500ps はニュースバルRF の1/4 周期に相当し、100μs はビームのリング約250 周分で、シンクロトロン振動の約1/2周期分に相当する。また、縦ࡃは上下がそれぞれバンチの先頭、及び後方に対応する。ニュースバルのシンクロトロン振動の減衰時間は約12ms で振動数約6kHz に比べて十分にସい。入射点から1/4 周期振動した位置での時間構造はビーム入射点におけるエネルギー分布構造にほぼ等しい。このため、そこでの時間幅(full width) を‫ڐ‬測し、図4に示した
ニュースバルのRF バケット[4]上に入射ビームを図示することで、エネルギー分布、及び中心エネルギーのニュースバルエネルギーアクセプタンス中心からの相対的ずれに換算できる。今回‫ڐ‬測されたビームのエネルギー幅は1.1% で、中心エネルギーはニュースバルリングエネルギーよりも0.55% ‫ݗ‬かった。
0injection
point100500 ps

実験セットアップ

1/4 of synchrotron
oscillation period

入射ビームの観測にはニュースバルのビームライ
ン ６ 番 (BL6) に ০ 置 し た ス ト リ ー ク カ メ ラ(Hamamatsu C6860 FESCA) を用いた。BL6 の光学系、及びカメラまでの入力光学系の概要図を図２に示す。シンクロトロン振動の観測にはカメラの２時間ࡃ掃引機能を使用した。‫ݗ‬速掃引はニュースバルの RF 信号を６分周した 83.3MHz を使用し、低速掃引のタイミングはビーム入射に合わせて励磁されるパルスセプタム஢磁石と同期をとった。

100 μs6°

M1;toroidal mirror
Rs=113 (concave)streak camera
Rm=3200000 (convex) Hamamatsu C6860

1.2

to BL6end station

vacuum window
optical filter
Al flat mirror
crystal lens

6 104count

9 104

0.8
0.40

Just after the injection
Linac pulse

320 psAfter 1/4 revolution-0.8-800 -600 -400 -200

0.25ns ビームパルス幅における‫ڐ‬測線型加速器のビームパルス幅を0.25ns に০定してニュースバルにビーム入射を行い、入射ビームのエネルギー分布、及び中心エネルギーを‫ڐ‬測した。
0.25ns の০定ではパルス内の線型加速器のバンチ数は１となる。ECS の最適化を行う前の入射ビーム

3 104

NewSUBARU RF bucket-0.4

図２：BL6 とストリークカメラへの入力光学系
2.2

1/4 of synchrotron
ocillation period

400

1.1%

2700
M0;cylindrical mirror
Rs=1303250
6°

insert mirror(Si wafer)

ΔE/E (%)

acceptancehorizontal ± 10mrad
vertical ± 1.9mrad

300

図３：ストリークカメラで観測した線型加速器１バンチのシンクロトロン振動の様子。右は1/4 周シン
クロトロン振動した位置の強度分布で時間幅は約320ps (full width) であった。これは線型加速器のエネルギー幅1.1% に対応する。

1.6
bending magnet

2005000Energy spread

2.1Time (ps)

２．測定

320ps

表２：SPring-8 線型加速器主要パラメータ[2]Parameters
Without ECSWith ECS
RF frequency
2856 MHz
Peak current
2A
Macro bunch length 1 ns (0.25 ns, 40 ns is possible)
Micro bunch length
20 ps (FWHM)
Natural emittance
31 nmrad. / 58 nmrad.
Energy spread (full width)2%
0.6 %Energy stability (rms)0.06 %
0.01 %

0200 400 600

Time (ps)

図４：‫ݗ‬次のモーメンタムコンパクションファクターを取り込んだニュースバルの RF バケット[4] 上に、バン チସ 20ps (full width) 、エネ ルギー 幅
1.1%、中心エネルギー 0.55% の線型加速器ビームを入射した場合のシュミレーション結果。

169

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)

2.3

ECS パラメータ変更によるバンチへの効果

続いて線型加速器のビームパルス幅を 1ns に০定し、複数のバンチを含むマクロパルスを観測してECS の効果を確認した。1ns の০定ではビームパル
ス内の線型加速器バンチ数は３となり、ニュースバ
ルの１バケットには複数のバンチが入る。我々はニュースバルのRF 位相をシフトさせてビームの入射位相を変えることにより、線型加速器の個々のバンチについてパルス幅0.25ns の場合と同様の‫ڐ‬測を行った。
ECS の効果はECS に到達するまでのビームの初期条件によって異なる。今回のビーム条件における観測結果を図５に示し、エネルギー幅、及び中心エネルギーの相対的ずれの‫ڐ‬測結果を表3にまとめる。
図5はいずれも入射１０回分の積算であり、フレームの縦ࡃ、横ࡃのフルスケールはそれぞれ1ns 、100μs である。縦ࡃの上下はそれぞれバンチの後方、前方に対応する。フレーム中の入射点よりも前の൉分は蓄積ビームであり、縦ࡃにおける同期位相に相当する。蓄積ビームはバンプ஢磁石を励磁することで入射と同時に廃棄する。ECSの஢界強度を3.3MV/m に০定した場合、個々のバンチのエネルギー幅は狭く、バンチ毎でほぼ同じ値となっていた。
これに対して中心エネルギーはバンチ毎でばらついていた。通常運転に用いている஢界強度6.5MV/mの০定では、エネルギー幅は広く、バンチ毎でばらつきが見られた。これに対して中心エネルギーはバンチ毎で揃っていた。この結果は定性的な予測と一致する。
100 μs

6.5 MV/m

1 ns

ૣ界強度：3.3 MV/m

#1bunch #1

injection
point

#2

#2

6.5 MV/m

3.3 MV/m

#2

#2

#1

#1

図5：ビームパルス幅1ns における入射ビームのシンクロトロン振動の観測結果。左右では測定時のECS の஢界強度が異なり、上下ではニュースバルの同期位相に入った線型加速器のバンチが異なる。

表3：異なる ECS 条件における線型加速器パラメー
タの‫ڐ‬測結果
Energy gain Bunch
Energy deviation
ΔE/E(MV/m)
number (from NewSUBARU)
3.3
1- 0.25 %0.25 %
2- 0.3 %0.2 %6.5
1- 0.2 %0.4 %2- 0.2 %0.55 %

３.まとめ本研究で我々は、蓄積リングに০置したストリー
クカメラを用いて線型加速器のビームパラメータを‫ڐ‬測する方法を構築した。実際の‫ڐ‬測では線型加速器ビームのエネルギー分布、及び中心エネルギーが‫ڐ‬測可能であり、ビームパルス内の複数のバンチを個々に‫ڐ‬測することができた。また、この方法を利用して ECS パラメータ変更によるバンチへの効果が観測可能であり、バンチのエネルギー幅、及び中心エネルギーに関して ECS パラメータによる有意な差を確認できた。本‫ڐ‬測以降、我々はこの‫ڐ‬測方法を加速器調整時の定常測定に用いている。同測定はビームトランスポート൉の運動量分散൉に০置した OTR 等とストリークカメラを組み合わせることでも観測可能である。しかし、本研究で用いた方法は஢子ビームのエネルギー振動のみを観測するため、ベータトロン振動の寄与を補正する必要がなく、測定精度が出易い。Ӏ題としては図５に示した複数のバンチを含むパルスの‫ڐ‬測結果について、バンチごとのイメージが重なっていることがあげられる。これでは 1/4 周シンクロトロン振動をした位置で同期位相に入ったバンチのみの強度分布を得にくい。このため、我々はリングのモーメンタムコンパクショ
ンファクターの‫ݗ‬次項を調整して入射位相によるシンクロトロン振動の周波数の差を変え、イメージの重りを 1/4 周の位置からずらすことを検討している。

４.参考文献[1] A.Ando, et al. , J.Synchrotron Rad. 5, 342-344 (1998).
[2] T.Asaka, et al., “Performance of the Energy Compression
System at the SPring-8 Linac”, Proceedings of EPAC
2002, Paris, France.
[3] T.Asaka, et al., “Design of the Energy Compression
System at the SPring-8 Linac” , Proceedings of EPAC
2000, Vienna, Austria.
[4] Y.Shoji, et al., “Estimation of Non-linear RF Bucket ofNewSUBARU”, Proceedings of SAST 2003, Tsukuba,Japan.

170