Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 TWP014

KEK 先端加速器施設(ATF)におけるナノビーム技術開発
DEVELOPMENT OF THE NANOMETER BEAM TECHNOLOGY AT THE
ACCELERATOR TEST FACILITY#, A,B)

A,B)

A,B)

A,B)

A)

A,B)

照沼信浩
, 久保浄 , 黒田茂 , 奥木敏行 , 内藤孝 , 福田将史 , アレクサンダー アリシェフ
クルーチニン コンスタンティン A,B), 荒木栄 A), 森川祐 A), 中村英滋 A,B), 大森恒彦 A), 倉田正和 A),
阿部優樹 B), ポポフ コンスタンティン B),
ATF 国際コラボレーション C)

A,B),Nobuhiro Terunuma #, A,B), Kiyoshi Kubo A,B), Shigeru Kuroda A,B), Toshiyuki Okugi A,B), Takashi Naito A),
Masafumi Fukuda A,B), Alexander Aryshev A,B), Kruchinin Konstantin A,B), Sakae Araki A), Yu Morikawa A),
Eiji Nakamura A,B), Tsunehiko Omori A), Masakazu Kurata A), Yuki Abe B), Popov Konstantin B)
and the ATF International Collaboration C)A)
KEK, High Energy Accelerator Research OrganizationB)
SOKENDAI, The Graduate University for Advanced StudiesC)
http://atf.kek.jp

Abstract
Development of the nanometer level small beam have been conducted at the Accelerator Technology Facility (ATF)
of KEK. We call this small beam “nanobeam” and this development is targeting a colliding beam of the International
Linear Collider (ILC). A small beam at ATF is realized with a low emittance beam generated by using the damping ringand passes it through the Final Focus System Test Beamline (ATF2). We have two major development goals. One is therealization of an ultra-small vertical beam size of 37 nm, which corresponds to the colliding beam size of 8 nm at the ILC.
The another is a stabilization of beam position in nanometer level, which is expected to realize a stable beam collision ofthe ILC. We have achieved a beam size of 41 nm in the vertical and have confirmed a fast position feedback techniquethat can stabilize the position at the nanometer level at the beam focal point of ATF2. With the progress of the small beamstudies, the effect of wakefield on a nanobeam below 100 nm is recognized as the important study target at ATF2. The
ATF2 (1.3 GeV) is a suitable facility for this research because it has a laser interference fringe type beam size monitor toenable the measurement of nanobeam below 100 nm. The wakefield effect on ILC (125 GeV beam) is evaluated with theresults of ATF2 and expected to be small. Further study of wakefield at ATF2 will push forward the nanobeam technology
and contribute to make better the beam of ILC. An upgrade plan of the ATF2 final focus beamline (ATF3 project) isproposed by the international collaboration to push forward these R&Ds.

1.

はじめに

現在、国際リニアコライダー(International LinearCollider, ILC) [1]の実現に向けた検討が進められている。2020 年 8 月には国際将来加速器委員会 ICFA がILC の国際推進チーム(International Development Team,IDT)を立ち上げた。この IDT は ILC 計画の準備段階
への第一歩として、日本の ILC 準備研究所(Pre-Lab)に向けた準備を任務としている。
KEK は ILC で必要となる加速器技術開発を進めるために、超伝導リニアック試験施設(STF)、空洞製造技術開発施設(CFF)、先端加速器試験施設(ATF)を建設し運用している。STF と CFF は超伝導加速技術開発を担い、ATF は ILC の衝突ビームとして必須となるナノメートル極小ビームを安定に実現するための技術開発を担っている。
ATF の加速器構成を Fig. 1 に示す。電子ビームは光陰極型高周波電子銃により生成される。最近の技術開発は ATF2 で行うものが主体であり、単バンチ、繰 り 返 し 3.125 Hz 、 バ ン チ あ た り の 電 子 数 〜1×1010 個のビームを利用している。電子源としては、
バンチ間隔 5.6 ns、パルスあたり 1〜10 バンチの多バンチ運転が可能である。生成された電子ビームは
S-band 線型加速器によって 1.3 GeV に加速され、ダンピングリングに送られる。ここでビームは放射減衰により低エミッタンスビームに変換される。ダンピングリングには 3 パルス分のバンチ列（トレイン）を蓄積することが可能である。リングからのビーム取り出しには、300 ns の平坦部を持つパルスキッカーが用いられており、例えばリングに 150 ns 間隔で 3 バンチ分蓄積して一度に取り出すことで、ILCを模した 150 ns の連続バンチを ATF2 ビームラインに送ることができる。
ATF 技術開発の最大の特徴は、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利用できることである。定常的に垂直方向 10 pm 程度のビームを実現し利用している。

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Figure 1: Layout of the ATF. 100m × 50m.
ダンピングリング下流にはビーム最終収束システ 方式が採用されている。この方式では Global 方式とム (Final Focus System)がある。この最終収束システ 比べて最終収束システムの長さを約 1/3 の 700 m にムに、ダンピングリングで得られる低エミッタンス 短縮できるなど大きなメリットがある。ATF2 はこ
ビームを適用することで、ILC に必要なナノメート の ILC の最終収束システムを基に設計された (Fig. 2)。
ル極小ビーム技術開発が実施できる。この特殊な
2.1 ビーム最終収束技術開発
ビームラインの設計建設のために、2005 年に協定書
ATF2 計画には二つの重要な技術開発目標がある。に基づく国際コラボレーションが立ち上げられてい一つは前述したようにILC での衝突ビームサイズをる[2]。ATF の Phase-2 として位置づけられ、ATF2 と実現するためのビーム最終収束技術、もう一つはそ呼ばれている。海外の研究機関は電磁石や空洞型ビーム位置モニターなどの機器を In-kind として貢献 の極小ビームを衝突点で安定に衝突させるために必している。ATF2 の運用は 2009 年に始まっている[3]。 要なナノメートルレベルでの位置制御技術である。
ATF2 最終収束試験ビームラインで目指す極小
ビームサイズは垂直方向 37 nm である。これは ILC250 GeV での設計値（垂直方向ビームサイズ 8 nm）に対応する。この極小ビームを ATF2 で実現することで、ILC 最終収束技術を実証すること、更なる高度化への知見を得ることが ATF2 での第一の目標である。
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、この方法は使えない。直接、ナノメートルレベルの電子ビームサイズを測ることが必要となる。それを可能とするのは前述した SLAC-FFTB 実験でも利用された
Figure 2: ATF2 beamline (Final Focus System).
レーザー干渉縞型ビームサイズモニター[5]であり、ATF2 ではそれを改良したものを導入している[6]。
2. ナノメートルビーム技術開発
ATF2 のレーザー干渉縞型ビームサイズモニター
ILC で想定するルミノシティーを実現するために は、最終収束系の収束点（ILC における衝突点 IP には、多バンチ加速を実現する超伝導高周波加速技術 対 応 ） に 設 置 さ れ て お り 、 IP Beam Size Monitor,と衝突点でナノメートルに絞り込む極小ビーム技術 IPBSM と呼ばれている (Fig. 3)。電子ビームに対しが必須である。極小ビーム技術開発では、1990 年代 てレーザー干渉縞を動かし、干渉縞光子と電子ビーに SLAC で Global Chromaticity Correction という収差 ムの逆コンプトン散乱γ線数の変化(Modulation)を計
補 正 方 法 に よ る ビ ー ム 最 終 収 束 シ ス テ ム の 試 験 測する。測定には多数のビームショットが必要とな(Final Focus Test Beam, FFTB)が行われ、垂直方向 り、レーザーや電子ビームの位置、強度など様々な70 nm のビームが確認されていた[4]。現在の ILC 設 ふらつきの影響も含んだ結果として計測されるため、計では当時とは異なる Local Chromaticity Correction 導き出されるビームサイズは実際のビームよりも大- 1115 -Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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きく評価されており、いわば上限値として見るべきものである。
IPBSM ではレーザーの干渉縞をいわば“ものさし”として使う。干渉縞のピッチはレーザーの交差角で物理的に決定し、それに応じてビームサイズの測定範囲が定まる。ATF では 3 段階の交差角モードを用いて数ミクロンから 20 nm 程度までの測定範囲をカバーしている。

Figure 3: Schematic configuration of the nanometer beamsize monitor at ATF2.

train feedback が提案され、開発が進められてきた[9]。
ILC での Intra-train feedback 装置は衝突点から 2 m離れた所に置かれる。ここでは衝突後のビーム軌道と衝突に向かうビーム軌道が極めて接近しており、衝突で蹴られたバンチの位置から相手側の衝突に向かうビーム位置の調整を行うのが効果的である。必要な位置分解能は Stripline BPM で十分とされている。
一方、電子ビームのみの ATF では、連続したバンチ列自身を用いることになる。ここではダンピングリングに 150 ns 間隔で３バンチ蓄積し、それを一括して取り出すことで ILC を模したバンチ列を作り出している。
ATF の Intra-train feedback の技術開発は、主にATF2 ビームライン上流部で進められた。装置はStripline BPM、高速演算回路、Stripline Kicker からなり、ILC と同じ構成である。これを２組用いることで位置と軌道角度を補正する技術開発と実証試験を行ってきた (Fig. 4)。開発された装置の Feedback 応
答時間は、先頭バンチの位置検出から次のバンチを補正するまでとして 133 ns が達成されている。これは ILC で想定するバンチ間隔 336 ns の半分以下であり、追加の演算処理を行う時間的余裕があることから更なる高性能化が見込まれる。ビーム安定化の例

極小ビームの調整では chromatic aberration の補正が重要であり、六極電磁石およびスキュー六極電磁石が使われる[7, 8]。様々なビーム調整ノブを適用しながら極小ビームへと追い込んでいく。このようにして 2012 年に初めて 100 nm の壁を越え、2014 年には FFTB 実験の 70 nm を下回る 44 nm までビームを絞ることに成功した。さらに、2016 年には次節で述べるビーム位置フィードバックを適用し、世界最小となる 41 nm を確認するに至った。目標の 37 nm と遜色ない値を実現しており、ILC で採用する LocalChromaticity Correction 方式の最終ビーム収束が十分に機能することを実証したものと判断している。
2.2

Figure 4: Setup of the EXT-FONT feedback.

ビーム位置高速制御技術開発

ILC の電子・陽電子ビームは、それぞれ衝突点で を Fig. 5 に示す。ここで大事なのはジッターが低減
垂直方向 8 nm 程度に絞られて衝突する。その相対的 された状態での IP で想定されるビーム位置ジッター位置の安定性は重要であり、衝突点において 2 nm 程 であり、試験結果から約 1 nm 程度と評価されており度に安定化することが求められている。ビームは中 目標を十分に達成している。
もう 1 箇所、ATF2 収束点でも Intra-train feedback
央エリアに配置されるダンピングリングから、それぞれの約 10 km の主線型加速器トンネルを通って の試験が試みられている。ILC とは異なり、ATF2ILC の端まで送られる。そこから向きを変えて直線 では収束点に BPM を置くことができるため、直接ナトンネルを戻る際に主線型加速器で加速、最終収束 ノメートル極小ビームでの Intra-train feedback を試みシステムで衝突ビームに調整される。この間、地盤 ることができる。ただしこのためには数 nm の位置振動や加速器機器の変動を受け、衝突点での位置ズ 分解能を有する BPM 開発が必要となる。元々ATF2レが生じる。このズレを補正する高速フィードバッ では、収束点に特殊な空洞型 BPM を置いてナノメートルのビーム安定度を直接確認することを目指してクが必要である。
ILC のビームは繰り返し 5 Hz の多バンチ列であり、 いた[10]。この BPM 開発自体が挑戦的な技術開発で最もバンチ数が多いオプションでは 2600 個のバンチ あるが、それを利用して Intra-train feedback を試みるが 366 ns 間隔で作られ、バンチ全体の時間幅は約 というものである。現在までにこの BPM 開発は分解1 ms となる。地盤振動などビーム位置を乱す要因と 能 20 nm まで進められ、それに応じた feedback 性能なる周期（応答時間）はこれに比べて十分長く、結 が得られることを確認している。更に BPM の分解能果として 1 ms の多バンチ列はコヒーレントに振動の を追求したいところだが、実際のところ ILC では使影響を受けることになる。そこで先頭バンチの位置 わない BPM 開発であり、且つ多大な労力が必要なこを検出し、後続のバンチ群の位置を補正する Intra- と か ら 、 こ れ 以 上 の 追 求 は 進 め ら れ て い な い 。

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Figure 5: Intra-train feedback at ATF2. Bunch 1 shows theinput of feedback and bunch 2 shows the result. Upper
plots are for angle of bunch trajectory and lower plots arefor bunch position.
ATF2 上流部の Intra-train feedback 試験の結果も合わせて、基本的にこの feedback 技術は実証されていると判断している。
Intra-train feedback によるビームの安定化で確認された重要な結果がある。それは極小ビームサイズに対するビーム強度依存性の低減の確認である。結果を Fig. 6 に示す。角度ジッターの改善により、ビーム強度依存性が緩和されることを確認した[11]。

干渉縞型ビームサイズモニターがある。また、この試験ビームラインには、様々な試験装置の導入も可能であり、ATF2 は wakefield の影響を定量的に研究する最適な場となっている。
極小ビームへの wakefield の影響については、wakefield 源とビームとの関わり方の視点から、静的な要因と動的な要因に分けて評価を進めている。静的な要因はビーム軌道に対する wakefield 源の設置ズレにより引き起こされるものを示し、再アライメントなどでビーム軌道と wakefield 源の中心を近づけることにより緩和が可能なものである。動的な要因はビームジッターなどビームの動的な変化によって生じるものを想定した。これは wakefield 源におけるビーム位置が変わることで wakefield によるキック量が変わるために生じる影響であり、ビームジッターを低減するなどして緩和できるものである。
2016 年にビームラインの機器構成を大幅に変えて wakefield の影響比較試験を実施している。ATF2
ビームライン全体の 1/3 に相当する数の空洞型 BPM、省略可能なフランジやベローズを取り去り、その分単純なパイプを延長、さらには普段使用しないビームモニターの取り外し、ベローズなどの段差やギャップを軽減する RF shield contact を取り付けるなどの対策を施した。その結果、極小ビームサイズのバンチ強度依存性が大幅に改善された (Fig. 7)。残されている wakefield 源による影響を可能な限り緩和するための取り組みも進められている。ビームラインのβ関数の大きな場所に新たな wakefield 源となる構造体を取り付け、既存の wakefield の影響に対する変化を調べる手法を導入した。XY 可動ステージの上に wakefield 源を載せ、位置を変えながら収束点における極小ビームサイズのビーム強度依存性を調査

Figure 6: Improvement of beam intensity dependence by
the Intra-train feedback.
2.3 ナノメートルビームにおける Wakefield の影響
ATF2 での最終収束技術開発の初期段階において、測定される極小ビームのビームサイズがバンチあたりの電流(粒子数)の増加と共に大きくなることが見いだされた。これは主に wakefield によるものと推測され、以後、その影響の評価研究が進められている。
前述の最終収束技術開発は wakefield の影響を抑える条件で進められている。wakefield はビームが通過する空間の内断面変化により生じ、いわばビームラインの真空チェンバー構成によって変わる。最終収
束システムの“光学設計の検証”と wakefield による影響は分けて評価するのが適切である。
ATF はエネルギーが 1.3 GeV と低く、またビームパイプは直径で 24 mm と小さい。そのため wakefieldの影響が強く出るが、それでもその影響が問題になってくるのは、極小ビームサイズがおよそ 300 nm Figure 7: Beam size measured at the focal point of ATF2,を下回るまで絞られてきた場合である。ATF2 には before and after the reduction of wakefield sources.
ナノメートル極小ビーム測定を可能とするレーザー- 1117 -Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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した (Fig. 8)。これは既存のビームライン全体での のために CERN から Octupole magnet を持ち込み、wakefield の影響を、追加した wakefield 源を用いて打 ATF2 ビームラインでのビーム調整試験が進められち消すように低減させる手法であり、電流依存性の ている[12]。また、新しい非破壊型ビームサイズモ緩和を確認できた。ILC でも利用できる技術である。 ニターとして Coherent Cherenkov Diffraction Radiation
ここで ILC の衝突ビームに対する wakefield の影響 を利用するモニター開発[13]も進行している。に触れておきたい。ILC ではビームエネルギーがATF より二桁大きく、個々の wakefield 源の影響は相 4. 今後の研究開発に向けて対的に小さくなる。しかし、ビームラインは数 km
2020 年 9 月には、ATF/ATF2 におけるナノビームと長いこともあり、ATF2 での試験結果、wakefield 技術開発の総合的な評価委員会を開催し、今後の源の計算、シミュレーションなどから総合的に影響 ILC 計画の進展を想定しながらナノビーム技術開発の評価を行った。その結果、ATF2 で 41 nm を達成 の国際拠点としての ATF 高度化(ATF3 計画)が議論した 1×109 electrons /bunch の状態は、ILC では設計 された[14, 15]。CERN を中心とする欧州では日米とビーム強度 2×1010 electrons /bunch に相当するであろ の 加 速 器 技 術 開 発 を 実 施 す る た め の 交 流 事 業うこと、つまり、ILC における 8 nm 極小ビームは、 EAJADE が採択され、2023 年 1 月から開始される。
ATF2 での実績に基づいて達成可能なものと考えら その中には ATF3 計画が主要な交流事業として計上れ、wakefield の影響が大きな問題とはならないと見 されており、今後活発な共同研究が期待されている。
積もられている。しかしながら、ATF2 においてwakefield の影響を深く調査し理解することは、ILC 5. まとめに対する影響評価の妥当性を高め、更なる高度化へ
先端加速器試験施設(ATF)では、国際リニアコラの知見を得るためにも重要であることは言うまでもイダー(ILC)で必要とされるナノメートル極小ビーム無い。今後も重点課題として継続して取り組んでいの技術開発を進めている。ビーム最終収束試験ビーくことにしている。
ムライン ATF2 では、41 nm のビームサイズを実現し、ILC で採用するビーム最終収束方式の妥当性をほぼ検証している。また、衝突点におけるナノメートル位置制御技術開発でも、許容されるレベルまでビーム位置変動を安定化させる高速フィードバック技術が実証されている。最近の主要なテーマは、これらの更なる技術の熟成・高度化に加え、ナノメートル極小ビームに対する wakefield の影響研究が挙げられる。100 nm 以下の極小ビームサイズを唯一測定できる ATF2 は貴重な研究拠点となっている。今後も国際コラボレーションを基盤とした体制の下、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を進めて行く。

参考文献[1] https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1711/1711.00568.pdf[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).
[5] T. Shintake, NIM A 311, 455 (1992).
[6] T. Suehara et al., NIM A 616, 1 (2010).
[7] T. Okugi et al., Phys. Rev. ST-AB 17, 023501 (2014).
[8] G. White et al., Phys. Rev. Lett. 112, 034802 (2014).
3. その他の技術開発[9] P. Burrows et al., Proceedings of IPAC2014, TUPME009
CERN は LHC 後 (2035 年以降)の将来計画として(2014).
FCC-ee と CLIC、二つの計画案を検討している。 [10] S. W. Jang et al., IEEE TRANS. ON NUCLEAR SCIENCE,
VOL. 64, NO. 8, 2353-2360 (2017).
CLIC は ILC より高いエネルギーである 3 TeV を見込[11]T. Okugi et al., 第 16 回日本加速器学会, RPI023, Kyoto
んだリニアコライダー計画であり、さらに高度な(2019).
ビーム技術が要求されている。これらの技術開発を[12] R. Yang et al., Phys. Rev. Accel. Beams 23, 071003 (2020).
進める上で ATF2 での共同研究が重要とされている。 [13] R. Kieffer et al., Phys. Rev. Lett. 121, 054802 (2018).
ILC の高度化にとっても CLIC の技術開発で得られる [14] The ATF collaboration, “ATF Report 2020”;

Figure 8: Reduction of the wakefield effect on a small
beam at ATF2, by optimizing the position of anadditional wakefield source.

知見は有用であり、高い相乗効果が期待される。
CLIC の最終収束ビームでは、ILC の 5 倍大きいChromaticity を補正する高い技術が必要であり、それは ATF2 において 20 nm のビームサイズを実現することを意味する。この究極の極小ビーム技術開発

https://agenda.linearcollider.org/event/8626/attachments/35702/55436/ATF_Review_Report_2020_0831.pdf[15] ATF Review;- 1118 -https://agenda.linearcollider.org/event/8626/