Proceedings of the 20th Linear Accelerator Meeting in Japan ( September 6—8,1995, Osaka, Japan)© - 32丨

Calibration o f Stripline BPM for ATF Linac
S. Kashiwagi， H. Hayano*
Department of physics, Faculty of education ’ Yokohama National University
Tokiwadai 156, Hodogaya, Yokohama, Kanagawa, 240 JAPAN♦National Laboratory for High Energy Physics
Oho 1-1, Tsukuba, Ibaraki, 305 JAPAN

Abstract
Stripline type beam position monitor (BPM) is developed for the 1.54GeV Linac at the Accelerator Test Facility (ATF) inKEK. All BPMs were measured the relation between an electrical and a mechanical center, and their position detection
sensitivities by using fast pulse transmission method with coaxial structure. The measurement system consisted of a fast pulse
generator, a transmission wire of <()50nni tungsten with gold plated and a signal-terminator. It was used laser sensor system toreduce initial alignment error of transmission wire to the mechanical reference position which is decided from reference planesof the standard support table. The results of measurement show that the BPMs have constant sensitivity coefficient within 土lmm from the mechanical center. The uniformity of the BPMs are 士10pm at that range. From these results, it was confirmedthat all the BPMs have enough performance to required structures alignment accuracy of less than the 土100pm

ATF リ ニ ア ッ ク 用 ス ト リ ッ プ ラ イ ン 型 ビ ー ム 位 置 モ ニ タ ー の 校 正
1 • はじめにリニアコライダーのための試験加速器施設である ATF は1.54GeV 電子リニア ツク、 ダンピングリング、陽電子発生装置等で構成され> 次世代リニアコライダーのための各加速器コンポーネントの開発研究を行っている。 リニアコライダーではマルチノ《ンチビームによる運転となるため、 ビームの軌道制御および診断のための計測方法としては、何個かのバンチ通過の平均を測定する平均測定 t 、個々のバンチを識SIJし、個々のバンチ通過時に測定を行うシングルシヨット測定とが予定されている。 ATHFリ ニ ア ツ ク も マルチバンチビーム（
バ ン チ 数 ：2 0 、バンチ間隔：2 .8 n s 、 1 バンチ当りの電子数 ：2 X 101。
個）で運転される。 その個々のビームの位置を測定するため、現在80M eV 入射部におレ、てマルチバンチビ一ム位置モニ夕一(BPM)としてストリッブライン型BPM と高速サンプルホールド回路を組合わせたマルチバンチBPM ビーム実験を遂行中でぁる[1 ]o
そのストリップライン型 BPM の機械的中心と電気的中心とのオフセットを求める校正作業はワイヤーにパルス信号を与え、そのとき BPM より検出される信号を測定する方法で行った。
その際用いるパルス信号用ワイヤーの基準位置（機械的中心）への設置誤差を小さくするための、高精度三次元測定器およびダイオードレーザーセンサーを用いたワイヤー設置方法の開発を行った。本稿ではその校正作業の方法と測定結果について報告する。

2 . ス 卜 リ ッ プ ラ イ ン 型 BPM
ストリップライン型電極のビーム位置モニターは4 つの電極に誘起する電荷量からビーム位置を測定する。そして、このストリッブライン電極の場合、真空チェンバー内でビーム進行横方向にループ状のアンテナを構成するため、このループに入つてくる磁束の時間変化による誘導起電力の出力信号への寄与も考慮する必要がある。また、ストリッブライン型HPMの特長は低周波レスポンスにエンハンス効果があり、ベースバンド型の回路では比較的よレ、S/N 比が期待できる。ATFリニアックで使用されるストリップライン型■のビーム進行横方向の電極寸法は藤のループにビームによる5練が入り込まないよう、電極をチェンバー壁から奥に埋め込むような構造にした。この構造は、 2 次元静電磁場撕コード " POISSON，•を用いて賊した。 またストリップ電極の下流端は壁にショートしてあり、電極長はバンチ間隔や信号検出回路のスピードなどから80m m とした（
図 1) 。
今回の測定では、出力電圧信号からのビーム位置雜には一次做( 1 ) を使用 し た 。

, V2 - V4x = kY— ——XV2 + V4

, V 1 -V 3v = k v— ~ —Jy Vl + V3⑴{ J

なお、V I 〜V 4 は BPM 上方より時計回りにつけた番号の電極からの電圧値であり、 k x、 k y は X (氷平) 、 y (垂直）方向の位置感度係数である。 （2 チヤンネル対向型の回路を 2 個m したので校正精度を上げるために、対向する 2 つの電極の電圧差を用いた。 )3 . 校正
3 . 1 概要
ATFリニアックではビーム進行横方向の加速器構成要素の設置は、架台上面のエッジ端面への押しつけによって行っている。 （その精度は架台上面とエッジ端面の機働CEffl度および各コンボーネントの支持架台の機械加XS* 度とエッジ端面押しつけ方によって決まる。) この場合、架台上面とエッジ端面から水平方向250mm,高さ 400mmの位置に基準位置(機械的中心）が定義さルここが実際のビームセンターに相当する。 Qマグネットの中心は平面架台を介して、 このBPMの機械的中心と関係づけられる。また、BPMの信号から直接得られる'赚 は 、 4 つの電極の信号力等しくなる位置(電気的中心)’ である。そこでBFMからの情報でビームを制御するためには、この機械的中心と電気的中心の関係、つまりオフセットを求めておかなければならない。
今回の校正作業では、位置感度係数、 オフセットの測定および機械的中心付近での位置感度の均H 生を調べた。

3.

2

校正方法

校H 乍菊汰ワイヤー（<()50nrn^Xッキタングステンワイヤー）にノ、。
ルス信号を与え、そのときBPMの 4 つの電極からピックアップされる信号を測定すること丨こより行う。校正用の全体のセットアップは図2 のようになっている。パルス信号伝送
用ワイヤーの両端は絶縁のためのマコール村で作られたV f 型ブロック上に設置する構造とした。ワイヤーの一端丨iSMAコネクターに接続しパルス信号入力端とした。漏 に は 100gのテンション用の重りを吊るし、50Qの抵抗で終端することによって信号の反射^ なレ、ようにした。このBPM信号の読み出し回路には、SLACの FFTB実験などで使用されているエレに、 x - y ステージによりワイヤーをBPMの機械的中心付近で ん y方向それぞれ数百Mmステップで移動させる。そして各位置での出力信号から求まる位置を視覚化(マッピング）することにより均-H生を評価した。

3.

3
3.

パルス信号用ワイヤ一のセットアップ

2 に示したようなパルス信号を用いた校正方法において、鱗 位 置 （機械的中心）へのパルス信号用ワイヤーの設置は顕^纖などを使って行われているが、その際のワイヤー設置誤差は3 0 ) _ 程度とかなり大きい。 そこで、ノりレス信号用ワイヤーをx - y ステージ間の基準位置（機械的中心） に設置する際の設置誤差を小さくするために、基準ワイヤー支持 台 上 に 設 け た ワ イ ヤ ー の 深 さ 20叫程度の V溝とワイヤーの位置を写し取るためのダイオードレーザーセンサーを使用した。このダイオードレーザーセンサーは発光部（レ一ザーダイオード）、受 光 部 (フォトダイオード）と光学用のレンズからなり、レンズと受光素子の間に焦点が合うようにセットアップする。 レーザーダイオードからの光（可視光入= 6 7 0 n m ) は広がり角が满常に大きいため、スリットを使い光の強度の強い部分をレンズで絞って用いた。そして、ワイヤーが焦点付近を横切ったときの光* の変化をフォトダイオードで検出し、 ワイヤー位置を測定する。以下にそのノ《ルスワイヤー設置手)丨丨頁を説明する。

クト ロ ニ ク ス （pulse stretcher amplifier, Track & Holdcircuit e tc .) を用 いた [2] 0 読みtii し系の位置分解能は一回のパルス信号に対して2叫 雛 で あ る 。今回の測定では50ノ々レスの計測を行い、その平均値をワイヤー位置としたので、位置分解能はcr =2 叫 1/*/50 = 0.3 叫である。
Setup o f the calibration

図2

校正用セットアップ

位置感度係数の測定は、パルス信号用ワイヤーを難的中心を原点とするx軸上、y軸上を数百pri ステップで移動させ、そして各位置での4 つの電極からの出力電圧信号から求まるワイヤー位置とステージの移 動 距離（樹働中心からの距離）から位置感度係数k を求めた。このとき出力電圧信号とワイヤー位置、位置f 度係数の間の関係式には（丨）式を使用する。
オフセットの 測定は機械的中心にノ、。
ルス信号用ワイヤーを設置し、パルス信号を与え、出力信号よりオフセットを評価した。出力信号からの変換には（1 ) 式を用い、位置感度係数は測定したものを使用した。
また、■SW 中心付近での位置感度の均H 生を調べるため

図3ノ、。
ルス信号用ワイヤーセットアップ

まず、 x -y ステージ間にパルス信号用ワイヤーを設置する
前に図3 の基準ワイヤー支持台のV 溝に、ワイヤーがきちんとはまる様に設置する。 このときのワイヤーの基準面（架台±® およびエッジ端画からの位置は3 多元測定器を使用し、O.ljLimの分解能で上面からの押しあて測定を行った。その結果、基準ワイヤーはV 溝に繰り返し誤差（£ 。) 3 叫 ！以下で設置できることを確認した。つぎに図3 のレーザーセンサーをセンサー支持台に取付けたマイク ロ ス テ ー ジ （最小読み取り0.5ji.m ) を使って、BPMの両端で2 方 向 （x 、 y 方向）ずつスキヤンを行う（
図 3) 0 このとき、フォトダイオードで検出される光量（電圧値）は図4 のようにワイヤーの位置で最小となる。 この測定を複数回行い光量が最小となる位置の分布より求まるワイヤーポジシヨ ン に レーザーセンサ一のステージを固定する。また、この基準ワイヤーのレ ー ザ ー セン
サ一での写し取り精度（e j は約7抑であった。このあと、基準ワイヤーとその支持台を取り除き、ノマルス信号用のワイヤーをx -y ステージに設置する。そして、 レ ー ザ ー センサーで検出される光量が、上記の光量と等しくなるようにx - y ステ一ジを移動させワイヤーを機械的中心に移動させる。このときのノヽ。
ルス信号用ワイヤーのセンサーを介しての写し取り誤差
レ 2) は約5jLimであった。また、パルス信号用ワイヤーのx- y ステージに取付けられたV字マ コ ー ノ レ へ の ワイヤーの繰り返し架け換え誤差 U 3) は約 7 g m 程度であった。 以 h より、ノ、•ルス信号用ワイヤーの設置誤差e は、 こ れ ら か ら の 終 を考えて約 12 pm 雛であったと考えられる。

であった。測定したBPM の中には、平均値より著しくはずれたものはなかった。 また、 これらのオフセットの値は測定の誤差と製m i 度から期待されるものと一^ している。
マッピング

X-direction Wire position & Output Voltage

マッビングは- 1500pm から 1500jjniの間を 250nm ステッ
ブで、バックラッシュの影響を抑えるためにステージを常に同じ方向から移動させて行った。 また、ワイヤーの移動による 麵 も 考 慮 に い 化 1 回 の ワ イ ヤ ー 移 動 に 振 動 ^#間 も含め 5 秒程度をとったb 図 7 はこうして得られたマッピング•
デ一夕である。機械的中心から大きく離れたところでわずかに歪みがみられるが、 これは先に示した位置変換の関係式が1 次の近似式のため、中心から離れるにしたがって近似が悪くなるためである。 しかし、結果は全てのBPM で機械的中心付近での位置感度均 - 14 は士10pm 以内であった。 このことから、実際ライナックの赚でビーム重心の軌道は中心より士ImmW内であると考えられるため、 ビーム位置の測定には
図43• 4ダイオードレーザーセンサーの出力電圧値先に示した位置到 ^を用いてもなんら問題がな Vゝことがわかる。

測定結果

位 置 感 度 係 数 •オ フ セ ッ ト の 測 定

x 、 y 方向の位置感度係数 k x、 k yは 、 x - y 軸上の士500
Mmを5 0 抑ステップでワイヤーを移動させ、各位置での出力信号より求まる位置（X pos ，Yp OS) とワイヤー移動距離(Xset，Y s e t ) をグラフにブロット（図 5 ) し、直線フイツトをすることによって、その傾きから求めた。
オフセットの測定には、上記のように求めた位置感度係数k x、 kyを用いて行った。 こうして得られた 10台の BPM についてのオフセット分布を図6 に示す。

図7

ワイヤーによるマッピングデータ

4 . まとめ
A T F リニアック用に開発されたストリップライン型BPMについて、オフセットの測定および機械的中心付近での位置感度の均H 4 の確認を行った。今回、校正に用いるパルス信号用ワイヤーの設置!楚を小さくするためにレーザーセンサー

図5を用いた。その結果、従来の顕■などでの設置誤差よりも十分小さい 12 叫 と い う 纖 で ワ イ ヤ ー を 設 置 す る こ と を 可能にした。今後、 レーザーの温度安定性、校正用の架台や支持台の熱による膨脹およびレーザーセンサー内の光学的アラ

x 軸上のワイヤーによるスキャン
BPM OffMt

イメントなどを詳細に解析すれは'、 さらに設置誤差を小さくすることが可能だと考えられる。

謝辞
今回の測定作業等に当り、 A T F グループの諸氏に大変お世話になりました。 ここに改めて感謝いたします。

参考文献[ 1 ] H. H a y a n o 本研究会
[2 ] H. Hayano et a l . ; KEK Preprint 92-118
H. Hayano et a l . ; SLAC-PUB -5691
t [ji m]

図6

電気的中心のオフセット分布この分布からx、y 方向に対するオフセツトの平均値およびはYoffiet=-58|im、a(x,y)«43|im-2 35 -