MITIGATION OF COHERENT-OTR LIGHT EFFECT FOR THE BEAM
PROFILE MONITOR OF SACLA
Shinichi Matsubara #,A), Hirokazu Maesaka B), Shinobu Inoue C), and Yuji Otake B)
A)Japan Synchrotron Radiation Research Institute1-1-1 Kouto, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo, 679-5198
B)
RIKEN SPring-8 Center
1-1-1 Kouto, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo-ken, 679-5148
C)
SPring-8 Service Co., Ltd.
1-20-5 Kouto, Shingu-cho, Tatsuno-shi, Hyogo, 679-5165

Abstract
A screen monitor (SCM) system for SACLA has been developed and was installed in order to obtain a direct imageof a transverse beam profile. The taken image has a spatial resolution of about 10 µm, which is required to investigate
electron-beam properties, such as a beam emittance. The SCM takes an image of the beam profile by a CCD camera
with a customized optical system through an OTR radiation from a stainless steel screen. At the beginning of SACLA
operation, strong coherent OTR (COTR), which made an incorrect beam profile, was observed. In COTR light, lightintensity and an imaging with a speckle widely fluctuate in every shot. In order to suppress the COTR on the SCM, thestainless steel target was replaced to a Ce:YAG scintillation target. Since the COTR was still generated from theCe:YAG target, a spatial mask was employed. The mask was mounted on the center of an optical axis of the SCM,
because the COTR light is emitted forward within ~1/γ radian from the screen to the CCD, while scintillation light does
not have angular dependence. Hence the mask obstructs the COTR light to the CCD. Clear beam profiles with adiameter of a few tens of micro-meter are observed by means of the SCMs with this simple improvement. This factindirectly testifies the SCM has a spatial resolution of about 10 µm.

SACLA のビームプロファイルモニターにおける Coherent-OTR 光除去への取り組み
1.

はじめに

SPring-8 サイトにおいて、X 線自由電子レーザ（XFEL）である SACLA[1,2]が建設されて、2012 年 3月から利用供用が開始されている。この SACLA において、波長 0.1 nm 以下の高輝度な X 線レーザを生成させるためには、3 kA 以上の高いピーク電流で1 π µm rad 程度の低エミッタンスである電子ビームをアンジュレータ区間に伝送する必要がある。熱電子銃から出射された低エミッタンスの電子ビームを、ビームチョッパーによって 1 ns を切り出し、入射部における速度変調バンチングと３段のシケイン・バンチコンプレッサーによりエミッタンスの悪化を抑えながら数 10 fs まで圧縮する。
本 SACLA においては、3 段目のバンチコンプレッサー後にビームプロファイル測定を行うスク
リーンモニター（SCM）[3,4]を設け、ビームエミッタンス測定と、電子バンチ長測定を行う。バンチ長測
定には、SCM と RF-deflector [5] を組み合わせて電子ビームの時間プロファイルを空間プロファイルとし___________________________________________#

matsubara@spring8.or.jpて測定する。これらのモニターにより、目標仕様の電子ビームへ調整を行う。そのためには本 SCM には、10 µm の測定分解能が求められる。SACLA のバンチコンプレッサー後で、ビームプロファイルをモニターする SCM は、X 線レーザ生成のための電子ビーム調整を行うためには必要不可欠なモニター装置である。
ところが SACLA の運転開始後、バンチコンプレッサー後の SCM において、SCM のターゲットス
クリーン上で、coherent OTR (COTR) が発生してビームプロファイルが測定できない問題が現れた [6]。
この問題は、LCLS などの他の FEL 施設においても確認がされている。しかしながら、SACLA の実証機である SCSS 試験加速器において、この COTR の問題が確認されなかったため、SCM の開発・製造当
初には COTR 光への対策が考慮されていなかった。
そこで、SACLA へ設置された SCM に改良を加え、COTR 光の問題について対策を行った。本稿において、この対策について記述する。

2.

SACLA の SCM と COTR 光の発生

SACLA において、本 SCM はビーム伝送の調整、ビーム形状の調整、ビームパラメータの測定（エ- 649 -Ce:YAG

Shaft

Beam
Light

Mirror

Metal Foil

図 3：COTR 光による SCM 像

図１：SCM のターゲット部の構成

図 2：SCM の全体構成出す。光学系と CCD カメラの位置関係は設置箇所により変えている。これは、測定対象のビームサイズにより、光学系の倍率を変えて、測定を行うためである。
ところが、SACLA の運転が開始されると 3 段目のバンチコンプレッサーより下流では、SCM のターゲット上で COTR 光が発生して、この SCM ではビームプロファイルが測定できない問題が現れた。
COTR 光は発光強度が通常の OTR 光と比べて強度が桁違いに大きいうえ、ショット毎に大きく変化するため、撮像光量の調整が困難である。また、撮像できる光量のショットであったとしても、コヒーレント光である COTR 光を結像したものはスペックルが現れ、正確なビームプロファイルがモニターできない。COTR 光を本 SCM で撮像した例を図 3 に示す。バンチコンプレッサー後のビームエネルギーは1.4 GeV であり、SCM のターゲットには OTR フォイルを用いている。
以上の COTR 光の問題を、既設の本 SCM において解決するために、対処を行った。

ミッタンス、Twiss パラメータ等）などに利用される。そのため、加速器に沿って、46 台の SCM が設置され、各所にて使用されている。
本 SCM の構成を図１、2 に示す。SCM は、可動式のターゲットとレンズ光学と CCD カメラにより構成される。光学系は、収差を抑え 10 µm 以下の分解能が得られるように特別に設計されている。SCMの発光体ターゲットとして、蛍光体の Ce:YAG とマスクを用いた COTR 光の抑制
OTR 発生用の金属フォイルを用意した。Ce:YAG は 3.
本 SCM 上での COTR 光の抑制を行うため、ター
ビームエネルギー 300 MeV 以下、OTR フォイルは30 MeV 以 上 で 使 用 を す る よ う に 用 意 を し た 。 ゲットから発光する COTR 光とビームプロファイル
Ce:YAG 蛍光体は、電子ビームが結晶を通過する際 情報を持つ光とを分離することを検討した。COTRに発光をするため、発光源が結晶厚みの深度を持つ。 光と OTR 光では光の分離が困難なため、SCM のこの結晶厚みによるピンボケ効果によりビームプロ ターゲットとして Ce:YAG を用いることにした。
ファイルの分解能が低下する。極力この効果による 元々、COTR が現れるバンチコンプレッサー後では、分解能の低下を防ぐため、結晶厚みを 0.1 mm と薄 OTR フォイルを使用していたが、Ce:YAG に変更をくしている。また、ビームエネルギーの高いところ し た 。 タ ー ゲ ッ ト と し て Ce:YAG を 用 い て も 、では、分解能を良くしやすい OTR フォイルを用い Ce:YAG の表面において COTR 光が発生していた。
るように考えた。OTR は、電子が異なる物質へ遷移 また後日、明らかになったが、Ce:YAG 後方に設置する境界点で発生する輻射である。どちらのター されている 45 度の取り出しミラーの表面においてゲットにおいても、ビーム軸に対して 90 度の方向 も、COTR 光が発生していた。そこで、COTR 光とにターゲットからの発光を取り出し、光学系を通し Ce:YAG による蛍光とを分離する。
Ce:YAG の蛍光は、結晶より四方に発光し指向性て撮像をする。OTR フォイルは 45 度に傾け設置し光を取り出す。また、Ce:YAG はビーム軸に対して を持たない。一方、OTR、COTR は ~1/γ rad の円垂直に設置し 45 度に傾けたミラーにより光を取り 錐状強度角度分布を持つ。γはローレンツ因子であ- 650 -Scintillation light

CCD
140 mm

140 mmMask

10.80.80.60.40-100-500Position [ um ]図 4：空間遮光マスクを用いた SCM の構成図

0.60.40.20.2Lens
φ 50 mmCe:YAG
Beam Screen

1Intensity [ a.u. ]MirrorIntensity [ a.u. ]Coherent-OTR light

501000-100-50050100Position [um]a) トップハット強度分布 b) 遮光マスクの強度モデル
分布モデル
図 6：理想光源の計算結像プロファイル

る。また、Ce:YAG の蛍光寿命が約 60 ns に対して、OTR 光の発光時間は電子バンチ長に等しい。蛍光と ファイル像に COTR 光が現れた。これは、光の回折COTR 光は、空間、時間それぞれの領域で分離すこ 広がりにより、遮光マスクの範囲を COTR 光が超えたためである。回折角は ~λ/d により見積もることとが可能である。
他の施設では、高速ゲート CCD カメラを用いて ができる。λは光の波長、d は発光源のサイズであ時間領域で分離すことを行なっている [6]。しかしな る。ビームをターゲット上で 10 µm に絞った際に、がら、一般の CCD カメラでは数 10 ns の精度でトリ COTR 光の拡がり角は、約 100 mrad となる。ビームガー動作させることは不可能である。本施設におい を小さく絞った際には、COTR 光の回折広がりが大て、バンチコンプレッサー下流の 30 台にも及ぶ既 きくなる。遮光マスクは、この回折広がりを考慮し設の SCM システムの CCD カメラ全てを高速ゲート て設置している。また、可能な限り光学系の採光画CCD カメラへ変更することは、その価格から考えて 角を大きくしながら、測定分解能を高くするために、困難である。そこで SACLA では、空間領域による 光学系の倍率は 1 倍としている。
また、チャンバー内での乱反射から来る迷光が、蛍光と COTR 光の分離を行うことにした。
具体的には、空間遮光マスクを設置し、COTR 光 光学系によって結像される問題も分かった。そこで、を除去した。空間マスクを、ターゲット真空チャン 遮光マスクには、蛍光の画角の外側の光も遮光できバーとレンズの間に設置した。拡がり角が 1/γ rad るようにし、チャンバー内の迷光も除去した。
Fraunhofer 回折の式により、理想的な光源によると小さい COTR 光を空間遮光マスクにより除去し、拡がり角が大きい蛍光はこの空間遮光マスクの外側 結像プロファイルを計算する。サイズ 40 mm のトッを通り結像するようにした。遮光マスクを設置した プハット強度分布を持つ理想的な球面波が、150 mm際の SCM 構成図を図 4 に示す。遮光マスクの設置 離れた場所で結像をするモデルで行った。計算モデにより COTR 光を除去して、プロファイルイメージ ルを図 5 に示す。トップハット強度分布のモデルは、集光サイズが、FWHM で 7.8 µm になる（図 6 a）。
を測定することができた。
しかしながら、ビームエミッタンスの測定のため 遮光マスクを用いたモデルでは、最小集光サイズはに電子ビームを小さくフォーカスしたところ、プロ 37 µm (FWHM) になる（図 6 b）。遮光マスクにより、SCM の分解能が低下するが、それでも十分小さいビームサイズまで測定できる。また、光軸中心にｘ設置した遮光マスクにより、6 µm の間隔で回折パターンが現れているが、SCM に使用している CCD
ｘ
カメラの Pixel サイズが 6.5 µm であるため、SCMの撮像イメージには現れない。
集光面
球面波
実際に、電子ビームを小さく絞った際のプロファ
光強度
イル像を図7 に示す。また、図 8 にその際の縦軸のa) トップハット強度分布モデル
プロファイルを示す。ビームが 30 µm（rms）に絞られていることが測定できた。ビームサイズの変化もｘモニターできており、仕様目標である 10 µm 程度の分解能が実際に得られている。
レンズ~150 mm

光強度b) 遮光マスクによる強度分布モデル

図 5：球面波の集光プロファイルの計算モデル

3.

まとめ

SACLA の運転が開始され、プロファイルモニターにおいて COTR 光が発生する問題が現れた。そこで、ターゲットに Ce:YAG 蛍光体を用いることに- 651 -

[3] K. Yanagida, et al., “Development of screen monitor with aspatial resolution of ten micro-meters for XFEL/SPring-8”,
Proceedings of LINAC’08 (2008).
[4] K. Yanagida, et al., “Spacial resolution of screen monitor
for XFEL/SPring-8”, Proceedings of LINAC’08 (2008).
[5] H. Ego, et al., “Design of the Transverse C-band Deflecting
Structure for Measurement of Bunch Length in X-FEL”,
Proceedings of Particle Accelerator Society Meeting 2009,(2009).
[6] Christopher Behrens, et al., “Electron beam proﬁle imaging
in the presence of coherent optical radiation effects”,
PHYSICAL REVIEW SPECIAL TOPICS, 062801 (2012).

図 7：遮光マスクを用いて COTR 光を除いたプロファイルイメージ。イメージサイズ 6.7 x 8.9 mm
1.2

Intensity [ a.u. ]10.80.60.4

100 um

0.20Position [ um ]図 8：COTR 光を除いたビームプロファイル。
プ ロ フ ァ イ ル サ イ ズ ： 30 µm (rms), 65 µm（FWHM）
よって、COTR 光と蛍光との拡がり角の違いによる分離を行った。SCM の光学系に空間遮光マスクを設置することにより、COTR 光を除去した。これにより、10 µm (rms) 程度の分解能でプロファイル測定ができ、ビームの規格化エミッタンス 1 πµm radが測定できている。また、RF-deflector と組み合わせることにより 10 fs の分解能でバンチ長を測定できるようになった。既存の SCM に軽微な改修により、COTR 光の問題を解決し、SACLA の調整で重要なモニター装置として、使用がされている。

参考文献[1] T. Ishikawa, et al., Nature Photonics advance online
publication, 24 June 2012 (doi:10.1038/nphoton2012.141).
[2] H. Tanaka, “Operation Status and Performance Upgrade
Plan of SACLA”, in these proceedings.

- 652 -