入射器の現状B推進委員会
2019年10月3日(木) 15:00~
4号館1階セミナーホール
加速器第5系 清宮裕史


1. 入射器概要
2. 入射器の主要課題

A) エミッタンス増大B) 入射ビームによるBelle II へのBackgroundC) 入射ビームによるRing AbortD) 陽電子の収量

3. 最近の入射器の進展
4. 今後の課題と主な対策

2
1. 入射器概要
2. 入射器の主要課題

A) エミッタンス増大B) 入射ビームによるBelle II へのBackgroundC) 入射ビームによるRing AbortD) 陽電子の収量

3. 最近の入射器の進展
4. 今後の課題と主な対策

3

1. 入射器概要

KEKBとSuperKEKBとの比較••

エミッタンスが増大すると、入射効率が悪化しリングに必要なビーム電流に到達できない可能性が高まり、backgroundも増大する。
「エミッタンス 電荷量の2乗」であるため、約100倍の性能向上が必要。

電荷量
電子ビーム

水平・垂直エミッタンス
KEKB

SuperKEKB

1/8

1/16

3倍

4

310

エネルギー広がり
1.3倍

310

0.07
0.05

1.28

20

40

 [nC]

陽電子ビーム!"x [µm]   [µm]
1/14

5倍

4

0.82
 [nC]!"y [µm]   [µm]

1400

1/93

!"x [µm]   [µm]1.1倍0.15 0.16

1400

100

 Energy-spread[%][%]15!"y [µm]   [µm]

 Energy-spread[%][%]4

1. 入射器概要

LINAC+BTのfootprint

JDARC

SectorADR"(damping"ring"for"e+)
RTL

Jarc

SectorB

SectorC

Sector1V ER
eG
7" KB"H D
e
rKE
e
p
WS:
Su

Sector2e+

LTR
Sector3 BT2De

Sector4

Sector5

LINAC"end

WS:
BT2Dp

Beam"Transport"lines(BT)

eV "LER WS:"GBT1
4" EKBK
er
BT"(Beam"Transport"line)
p
Su

5


1. 入射概要
2. 入射器の主要課題

A) エミッタンス増大B) 入射ビームによるBelle II へのBackgroundC) 入射ビームによるRing AbortD) 陽電子の収量

3. 最近の入射器の進展
4. 今後の課題と主な対策

6A) エミッタンス増大

エミッタンス増大の主な原因!ディスパージョン漏れ

1. ARC後ディスパージョンが漏れていると、ディスパージョンを通してエネルギー広がり(δ)がビームサイズ(x)を増大させる。
2. バンチ圧縮やエネルギー圧縮で用いられる圧縮用加速管の位置にディスパージョンが存在すると、バンチ長(z)に依存した量がエネ
ルギー広がり(δ)を通してビームサイズ(x)を増大させる。
通常加速
圧縮用加速
(エネルギー勾配を作る)

ディスパージョンを閉じれば解決

7A) エミッタンス増大

圧縮用加速管でのディスパージョン漏れ

設計Optics

ECS

Dispersion測定結果

清宮

ECS
設計Dispersion
からのズレ

圧縮用加速管• 設計上、加速管でのディスパージョンは０。

• 実測では、加速管でディスパージョン
圧縮用が漏れている。
加速管8A) エミッタンス増大

エミッタンス測定結果（LER用ビーム）• X方向に圧縮用加速管ON/OFFでエミッタンスに約4倍程度の違いが発生。

• Y方向はBT endにてエミッタンスが増大しており、別途ディスパー
ジョン漏れ、軌道ジッタを改善する必要が有る。

X

飯田
菊池
森

Y

要求値
DR
2019.6.28

3$$ 5$$ BT1$ BT2()

1 nC

DR

3$$ 5$$ BT1$ BT2()9A) エミッタンス増大

ディスパージョン漏れの原因と対策• Bendの積分磁場測定から、設計軌道上に4極磁場が存在することが判明。
• 4極磁場の小さい領域にビームを通せるようにBendを移動済。
森

ECS bend@SY3の積分磁場BM̲61̲5
BM̲61̲2
BC2P-LBC2P-R
6.40mm BM̲61̲3 BM̲61̲4 12.86mm
BC3P-R
BC3P-L
-10.77mm -13.05mm

10
1. 入射概要
2. 入射器の主要課題

A) エミッタンス増大B) 入射ビームによるBelle II へのBackgroundC) 入射ビームによるRing AbortD) 陽電子の収量

3. 最近の入射器の進展
4. 今後の課題と主な対策

11B) 入射ビームによるbackground

Backgroundに寄与するパラメータ



Orbit
Emittance
Energy0spread
ChargeEnergyBunching
Laser…

入射器としては、
質のよいビームを安定に供給することが重要

No0drift
No0jitter

No
BG


Septum0angle
Vertical0angle
EnergyInjection0phasekicker0height…

Optics0correction
Tune
iBump0FB0target
IP0Knobs
Collimator
Luminosity
…



12

B) 入射ビームによるbackground

ビーム調整によるBackgroundの減少• 軌道、エネルギー広がり、エミッタンスを調整。
• 調整後はBackgroundが減少。次はこの安定化が必要。
ビーム調整

吉田
飯田

調整後

調整前
Energy1spread!"x=147µm!"y=262µm

Energy1spread!"x=99µm!"y=68µm
13B) 入射ビームによるbackground

入射ビーム安定化に向けて
道具

場所

エネルギー

エネルギーフィードバック

エネルギー広がり

Sub Harmonic Buncher 1(SHB1) for LER beam

Thermionic Gun

RFモニター

SHB2

軌道

J-ARC, DR, BT

達成度

フィードバック

◯

◯

◯

ー

未

ー

LINAC

◯

未

誘起波モニター

LINAC

△

ー

8極BPM

J-ARC

△

未

BT

未

未

ギャラリーの温度調整

LINAC

△

軌道フィードバック

LINAC

◯

End of BT

◯

◯
◯

軌道ジッタ

パルス電磁石電源

Sector 3-5○

エネルギージッタ

エネルギーノブ位相

Sector B, 2, 5

△

ー

RF位相

LINAC

△

ー

入射位相

FB of Master oscillator

LINAC and MR◯

エミッタンスRF gun用レーザー

RF Gun

◯

e+ DR

DR

◯

ー

ワイヤースキャナ

LINAC, BT◯ーEnd of BT△ー△(安定性)

ー

未

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1. 入射概要
2. 入射器の主要課題

A) エミッタンス増大B) 入射ビームによるBelle II へのBackgroundC) 入射ビームによるRing AbortD) 陽電子の収量

3. 最近の入射器の進展
4. 今後の課題と主な対策

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C) 入射ビームによるRing Abort

清宮
宮原• 突発的な入射ビームの変調によるAbort
電源のトリガー抜け
実測 エネルギー
Dispersive*point

LER用ビーム

軌道

Straight*line

実測

クライストロンダウン

軌道

エネルギー

Dispersive*point

Straight*line~50 MeV低下

シミュレーション

シミュレーション

BT lineBT line

設置済みのコリメータを入れて対処

新たにコリメータを設計、設置予定

HERに関しても、コリメータのインストールを予定

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1. 入射概要
2. 入射器の主要課題

A) エミッタンス増大B) 入射ビームによるBelle II へのBackgroundC) 入射ビームによるRing AbortD) 陽電子の収量

3. 最近の入射器の進展
4. 今後の課題と主な対策

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D) 陽電子の収量• 現状、シミュレーションと比較して収量が3割程度低い。
• ソレノイドに通すビーム軌道を変えて、ビーム軸に対してソレノイド
がoffsetしていないか、傾いていないかを調査。
• ソレノイド磁場をかけた際の軌道変化が同じ方向。

ビーム
ソレノイド

ビーム軌道

測定したBPM

ソレノイド磁場が
傾いている

紙谷
•
•
•

ソレノイド電流

BPM間の電磁石関連を全て切り、ビームが真っ直ぐ進んでいることを確認後、測定。
2 mm程度軌道を変えているため、ソレノイドの軸がずれているとは考えにくい。
ソレノイドが物理的に傾いているとすると、20mm程度のミスアライメントがあることになるた
18
め非現実的。

D) 陽電子の収量

陽電子収量問題への対策• 来年の夏を目標に、ソレノイドセクション内にSTコイルとBPMのインストールを予定（現象の理解とビームロス低減のため）。
• リターンヨークや周囲の構造体（鉄など）の情報を含めた詳細なシミュレーション(CST)が現在行われている（榎本(嘉)）Steering coils


Bx
By

榎本(嘉)









BPM














考えられる原因：• DCソレノイドのリターンヨークに導波管や加速管のサポートを通すための切り欠きがあり、対称性が損なわれているため。
• DCソレノイドコイルのワイヤーが太く、立体的な経路に軸対象でない電流が流れてしまうため。
• ブリッジコイルには、ヨーク形状の非対称性があり、且つリターンヨークヘッド部の材質の問題から磁場の飽和が起きているため。
19


1. 入射概要
2. 入射器の主要課題

A) エミッタンス増大B) 入射ビームによるBelle II へのBackgroundC) 入射ビームによるRing AbortD) 陽電子の収量

3. 最近の入射器の進展
4. 今後の課題と主な対策

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3. 最近の入射器の進展• 4リング同時トップアップの実現• RF電子銃の長期連続運用• 夏期保守中の作業• RF電子銃• レーザー導波路の真空排気• レーザーハット空調機更新 (7 kW => 13 kW)・断熱材追加• バックアップRF電子銃用レーザーライン整備• ビームライン• アライメント• 加速管ユニット架台 ムーバー取り付け（4ユニット分)• モニタ• 高精度プロファイルモニタの追加 (2カ所. OTR, YAG)21

3. 最近の入射器の進展

4リング同時トップアップ

関係者多数

σ=

6.25%Hzσ=

6.25%Hzσ=

4.16%Hzσ=

4.16%Hz22

今後の課題と主な対策
A) エミッタンス増大! ディスパージョン漏れをなくすような調整が必要。
! 特に圧縮用加速管。
B) 入射ビームによるBackground! ビーム品質、安定度を高める。
! 特にエミッタンス、エネルギー広がり。
C) 入射ビームによるRing Abort! 突発的なビーム変調に耐えられるように、コリメータの整備が進行中。
D) 陽電子の収量! ソレノイド磁場の傾きの原因調査を進める。
! ソレノイドセクション内にSTコイル、BPMのインストールを予定中。
! 2バンチ運転、primary e-を増やす、ビームロスを減らす、FC電流
を上げる。

23

back%up

24A) エミッタンス増大

エミッタンス測定結果（HER用ビーム）• 調整時間が限られていたため、Phase 2よりもエミッタンスが悪い。
• C-5セクターでエミッタンスが増大している原因は、wakefieldと思飯田われる。
• 調整時間短縮のため、今期自動でエミッタンス増大を抑えるような 菊池
森
軌道補正プログラムを試験する。

X

Y

要求値

B""""C"""3""""5""BT1"BT2

1$nC

B""""C""""3"""5""BT1"BT225

Phase 3での典型的な電荷量
HER用ビーム
1 nC @Linac end
0.7 nC @BT end

LER用ビーム
1 nC @Linac end
0.7 nC @BT end

26

Phase 3での陽電子収量と予想値
primary'
e)
(nC)

FC
(kA)

Yield
(
)

Yield
(
/
)

2019/6

7.5

3

0.34


 
 

10

12

0.58

e+ (nC)e+ (nC)e+ (nC)LTR@Linac'end@BT'end

0.7

1.5


1


0.7


1

4.9
()

3.2
()

2.3
()

ビームロスを減らす努力が必要

Design宮原榎本
2019/627A) エミッタンス増大

エミッタンス増大の原因!ディスパージョン漏れ

1. ARC後ディスパージョンが漏れていると、ディスパージョンを通してエネルギー広がり(δ)がビームサイズ(x)を増大させる。
2. 圧縮用加速管内にディスパージョンが存在すると、バンチ長(z)に依存した量がエネルギー広がり(δ)を通してビームサイズ(x)を増大させる。

! 加速構造内のwakefield（ビームが構造体内を通過した際に生じる電磁場）• ビーム先頭から生じたwakefieldは、ビーム後方に影響を与える。
• ビームが加速構造の中央を通過しない限り、wakefieldによってエミッタンスが増大する。

! ビーム位相空間ジッタ• ビーム位相空間がショットバイショットで揺らいでいると実効的なエミッタンスが増大する。
SuperKEKBの要求は有効エミッタンスに対して満たされる必要がある。

! 放射励起• エミッタンスへの影響はローレンツγの5乗、曲率半径の3乗に反比例。
• HER(e-)の水平エミッタンスへの影響が大きいが、致命的な問題にはならないと考えられている。
28

BT 
Y.%SeimiyaDispersion 29

Dispersion   







Straight2line
Y.2Seimiya

Dispersion  

Dispersion
Dispersion


RTL

LINAC

WS@3

BT

WS@5

WS@BT1

WS@BT230
• e":$"• e+:$SY3$ECS)#$%

BT ( # 8BPM• e":$!+ '8BPM (,&* ,&• e+:$

31

D)#
• ソレノイド磁場を徐々に増やして、ビームへの影響を調査。
• 測定前にBPM間の電磁石関連を全て切り、ビームが真っ直ぐ進んでいることを確認。
• ソレノイドに通す軌道を変えても、

32

33

A);Residual;Dispersion

A) Residual Dispersion in LINAC• Large residual dispersion had been observed at the J-ARC before
dispersion correction.
• By tuning the strength of quadrupole magnets, residual dispersion
became small.
J-ARC

J4ARC

Designx=⌘<latexit sha1_base64="/j+sXJ8fXHgB3mLaSsIyeYHmdjs=">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</latexit>

p
p

=⌘

m

Measured

BeforeRMS !"x =#0.43#m#$%x =#187# 27#µm

Thermionic gunm

Measured

After

Dispersion
correction

Δ#$%x =#-47#µm

m
RMS !"x =#0.02#m#$%x =#140# 33#µm

34A)&Residual&DispersionA) Other sources of Residual Dispersion• Both orbit and angle of a beam which pass through bending magnets.

• Orbit&displacement&at&quadrupole&magnets&that&have&a&large&strength&creates&a&
sizable&dispersion.
• Orbit of a beam which pass through sextupole magnets.
To keep residual dispersion minimized, orbit feedback is necessary.
Dependence between orbit+angle and dispersion

Effect of sextupole magnets••

Orbit & angle
correction
before J-ARC
Orbit & angle
correction
before chicane

J;ARC

Chicane

LINAC&end

There are 6 sextupole in J-ARC.
Orbit displacement cause
quadratic force.

ON

OFF

LINAC&end
35A)%Residual%DispersionA) Orbit Feedback• An example of orbit FB (Shown BPM place in the LINAC end)
• Orbit FB at the end of LINAC was operated correctly.
• Orbit FB of J-ARC upstream will be performed next run.

Before

After

36A)&Residual&DispersionA)#Magnet#used#in#the#orbit#FB#at#the#end#of#BT
LINAC&FB&start

LINAC&FB&start

The&orbit&FB&in&LINAC&helps&thr orbit&FB&in&the&BT.

37A)#Residual#Dispersion

A) Residual Dispersion at BT line••••

We had corrected dispersion of each BT ARC one by one.
After that dispersion of the BT overall was measured changing thebeam energy.
Non-negligible residual dispersion was still observed.
We will minimize Δη and Δηʼ at the end of BT in the autumn run.
Straight#line Straight#line
Straight#line# Straight#line#(WS@BT)(WS@BT2)(WS@BT1)(WS@BT2)

BT#for#e)

BT#for#e+38B) Beam Phase Space Jitter
B)2Beam2Phase2Space2Jitter• In 2018, large orbit jitter was measured (1000 shots).
• Emittance estimated from beam jitter, called jitter emittance, was
not negligible.

1nC

J.ARC

e+2target

Phase&3
final

Bunch2charge2(nC)

Orbit jitter (RMS)

Emit.2@BT2end(!"#)2(µm)
Emittance growth
converted from beam jitter

4
40/20

(Hor./Ver.)

Linac end:

28/7 μm(Hor./Ver.)q✏ef f = ✏20 + ✏2j + 2✏0 ✏j Bjmag

Design beta function<latexit sha1_base64="upxAsRlptP+Rek8PX09m+E6HLjc=">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</latexit>m✏0 + ✏j

B jmag ( 1) express amount of
mismatching between beam optics
and the jitter optics.

LINAC2end

39B)%Beam%Phase%Space%JitterB) Wakefield effect and Beam Phase Space Jitter• Electron beam straightly pass through the positron generation
target hole, whose diameter is 2 mm.
• We suspected wakefield effect as a orbit jitter source.

e8
wake potential induced bytarget hole (simulation)
Color%differences%show%differences%of%distance%between%center%of%hole%and%beam%position.

14%mm

e+
e8

From the beam position before
and after target, amplification
factor are derived.

φ2%mm

Comparison of orbit jitter
Target%IN

Growth%factor20

Target%OUT

Growth factor of beam phase space jitter:

LINAC%end< 0.1@1nC << Measured growth factor

Wakefield effect of target hole is negligibly small.
40B) Dispersion and Beam Phase Space Jitter
B)2Beam2Phase2Space2Jitter• We focus on dispersion which convert to orbit jitter through energy jitter.
• By dispersion correction, jitter emittance become less than 1 µm.
J-ARC e+ target

J-ARC e+ target

BeforeAfter

Dispersion
Correction

Linac end:!"#j < 1 μm

41B)%Beam%Phase%Space%JitterB) ! Function and Orbit Jitter• Remain orbit jitter can be explained by ! function.
• Using Twiss parameters measured by WS at C sector, ! function
near target is derived.
• ! function is highly correlated with orbit jitter.
• We conclude that large orbit jitter sources are mainly bothresidual dispersion and ! function.

42B)#Beam#Phase#Space#Jitter

B) Other Sources of Beam Phase Space Jitter

Binarization of Pulse Magnet

Three valued RF phase
Large RF phase jitter cause orbit jitter.

[mrad]•

By further investigation, we found that following items were sometimes sources ofjitter. Pulse magnet and RF phase jitter was almost resolved by person in charge.
To identify the jitter source, monitoring beam jitter is important.

x’#•

x#[mm]
Slope of RF phaseΔp/p=0.042%

Δp/p=0.027%

Near#zero#cross#phase

Near#crest#phase

If RF phase is near zero cross, energy jitter is enlarged
by the slope of phase.

Degree@KL_B3

Degree@KL_C8

43B)0Beam0Phase0Space0JitterB) Beam Phase Space Jitter at BT line•••

In the RTL and BT, orbit jitter is much larger than that in LINAC, partly because BPM resolution is poor.
Orbit jitter of first straight line in BT is about ~150 μm@1σ. This value is probably BPM resolution.
Assumed that calculated jitter emittance at the first straight line came from BPM resolution, jitter emittance atsecond straight line is estimated as following:• e- beam: !"#jx/!"#jy @BT end ~ 40/50 μm• e+ beam: !"#jx/!"#jy @BT end ~ 30/30 μm• High resolution BPM is strongly desirable at BT. An upgrade of some BPMs for higher resolution isplanned.

e4

Straight0line

e+

BT

RTL

LINAC

WS@B
WS@C

WS@3

WS@5

WS@BT1

WS@BT2

Straight0line

LINAC

WS@3

BT

WS@5

WS@BT144

WS@BT2

C)'Wakefield'in'Acceleration'StructureC)#Wakefield in Acceleration Structure• Using a steering magnet, we searched an orbit so as tominimize emittance.
• Emittance highly depends on beam charge and orbit.
• Wake free steering will be performed using RF gun in the nextrun.
Thermionic gun

1nC

4nC

45

E)%Radiation%ExcitationE) Emittance growth induced by radiation excitation in BT
Theoretical emittance growth induced by radiation
excitation:

BT2∝ !5,%1/$3
BT2

Particle tracking simulation was performed from the endof LINAC to the end of BT.

Simulation

InitialWith
Phase2III3final
particles Radiation requirement

BT1e" (7%GeV) !"#x [µm]206540 ">%The%maximum%emittance%can%be%relaxed.

e+%(4%GeV)%!"#x [µm]

64

74

100

• Radiation excitation has little dependence
on initial emittance.
• By the radiation excitation, emittance
growth of e-/e+ beam is about 48/10 µm.

M.%Kikuchi Simulation Result!#x =%65%µm!#x =%20%µm

Now%in%re"considering

e- beam• The%beam%size%at%the%injection%septum%is%0.31%
mm,%assuming%βx%=%20%m.%The%required%injection%aperture%is%still%dominated%by%the%septum%width%of%2.5%mm.%Although%the%emittance growth%due%to%synchrotron%
radiation%is%very%big,%it%plays%only%a%minor%role%46
on%the%injection%aperture%itself.%