Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

SuperKEKB 入射器用低エミッタンス・高電荷電子ビームに向けた
バンチ内時間構造制御
TEMPORAL MANIPULATION OF LOW EMITTANCE AND HIGH CHARGE
ELECTRON BEAM FOR SUPERKEKB INJECTION
吉田 光宏#, A), 夏井 拓哉 A), 周 翔宇 A) , 小川 雄二郎 A) , 杉本 寛 A) , 飯田 直子 A) , 臧 磊 A) , 佐藤 政則 A)
Mitsuhiro Yoshida #, A), Takuya NatsuiA), Xiangyu ZhouA) , Yujiro OgawaA) , Hiroshi SugimotoA) , Naoko IidaA) ,Lei ZangA) , Masanori SatoA)
A)
High Energy Accelerator Organization (KEK)

Abstract
The KEKB injector upgrade is required to obtain the low emittance and high charge beam corresponding to the shortbeam life and small injection acceptance of the SuperKEKB ring. The required beam parameters are 5 nC, 20 mm mradand 4 nC, 6 mm mrad for the electron and positron respectively. For the electron beam, we installed new photocathodeRF-Gun with the focusing electric field and temporal adjusting laser system. Further the projected emittance dilution inthe LINAC is an important issue for the low emittance injection. The longitudinal bunch length and shape is an
important key to avoid the space charge effect and the emittance dilution. The longitudinal manipulation using thetemporal adjusting laser system ,the bunch compression and the bunch flip will be required.

1.

mrad が必要である。さらに HER ではシンクロトロン入射を採用しており、0.1% のエネルギー分散が必要である。

はじめにSuperKEKB では非常に高いルミノシティーを得る
ため、低エミッタンス化によるダイナミックアパー
Table 1 : Requied parameters for SuperKEKB
チャーの減少とビーム寿命の減少はやむを得ない。
KEKB(e+/e-)
SuperKEKB(e+/e-)
これに対応して電子陽電子入射器も高電荷・低エミッタンスの電子源として、RF 電子銃の導入を進Beam Energy
3.5 / 8.0 GeV
4.0 / 7.0 GeVめている。KEKB-HER への電子入射の要求は、5nC
Bumch Charge
1.0 / 1.0 nC
4.0 / 5.0 nCの電荷において Y 方向の規格化エミッタンスが20mm・mrad、エネルギー分散も 0.1%である。RF
Normalized
2100 / 300 mmmrad 6 / 20 mm mrad
電子銃からのビームは 5nC の電荷では、20ps でvertical6mm・mrad のエミッタンスが最適であり、このビー
Emittance (1)
ムを途中の輸送系等も含めて入射の要求値を満たさEnergy Spread
0.1 %0.1 %ねばならない。加速管の横方向ウェーク場による横方向の射影エミッタンスの増加はバンチ長が短い程小さくできるが、縦方向ウェーク場によるエネル
横方向及び縦方向ウェーク場の相関ギー分散は 10ps 程度が最適である。これらを満た 3.
すような条件として、時間方向のバンチ構造をレービームの軌道を適切の調整した後、5nC の高電荷ザーの時間構造の制御によりガウシアン分布ではな では、横方向エミッタンスの増加の主な原因となっく矩形波にし、全幅で 20ps を 10ps に圧縮した後、 ているのは加速管のミスアラインメントによる横方ビームを 1.6GeV のアーク部まで輸送し、アーク部 向ウェーク場である。またエネルギー分散は縦方向でさらに 4ps に圧縮する事を検討している。さらにウ ェ ー ク と RF の 位 相 に よ っ て 決 ま る 。 横 方 向
4ps に圧縮するとエネルギー分散が大きくなるため、ウェーク場を減らすには、アラインメントと短いバ時間反転を行う検討を行った。これらのレーザーの時間構造制御及びビームオプティックスによる時間 ンチ長が重要である。しかし短いバンチ長は強い縦方向ウェーク場を誘起し、エネルギー分散が大きく構造制御が重要となる。
なる。従って横方向エミッタンスとエネルギー分散の要求の双方を満たすには、バンチ長を的確に選択
2. 要求性能SuperKEKB の入射に必要な電子ビームの要求性 する事が重要となる。
能は表１に示す通りである。KEKB 運転時と比較す
るとバンチ電荷は５倍で、エミッタンスは 20mm・___________________________________________# mitsuhiro.yoshida@kek.jp- 834 -Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

Longer bunch can reduce
space charge effect inside RF-Gunand also CSR at J-ARC.
A-1
ChicaneB

J-ARC

4 psCA10ps
Target @1-4
3.5 GeV 10nC
1 x2

Due to mis-alignment:- Dispersion- Short range wakefield

KEKB obtained(e+ / e-)High charge low emittance isrequired for SuperKEKB.

A-1RF-Gun
5-10nC

SuperKEKB
required (e+ / e-)

Beam energy

3.5 GeV / 8.0 GeV

4.0 GeV / 7.0 GeV

Bunch chargee- e+ / e10  1.0 nC / 1.0 nC

e-  e+ / e10  4.0 nC / 5.0 nC

Beam emittance(ge)[1]

2100 mm / 300 mm

6 mm / 20 mm

1.1 GeV@DRPF

20ps
BCS

ECS

2435ECS

Beam diagnostic station
for LER
4.0 GeV 4nC x 2e y < 6 mm mrad

C-bandSY2Pulse Q-magnet & pulse steeringfor HER
7.0 GeV 5nC x 2
e y < 20 mm mrad

E < 0.1 %Figure 1: KEKB Injector upgrade to obtain the low emittance and the high charge for SuperKEKB injection.

3.1

横方向エミッタンス

図１は横方向の投影エミッタンスをいくつかのバンチ長やアラインメントエラーに対して解析的に計算してものである。要求されたエミッタンス増加に抑えるためには、アラインメントエラーが 0.3mmと 0.1mm のそれぞれのケースの場合、バンチ長として 4ps または 10ps 以下が必要となる。

Figure 3:Initial offset to optimize the projected emittance.
3.3

5 nC の高電荷では、縦方向ウェークの影響が大きくなり、バンチが短くなるとＲＦの位相を傾けてもエネルギー分散を要求値まで小さくできなくなる。

Figure 2: Transeverse emittance for difference bunch
length and alignment error.

3初期オフセット

Gaussian
5nC 10nC

2.5

ビームに初期オフセットを加える事で、横方向ウェークによるエミッタンス増加の影響を補正する事ができる。初期オフセットとしてはベータトロン位相が 90°異なる２つのステアリングを使用する。
図３は初期オフセットのスキャンによりエミッタンスを最適化した結果である。これを現実の加速器で実現するにはウェーク場の影響をモニターする必要があり、このためには RF ディフレクターによるバンチスライスのビーム形状モニターが有効である。

20nC

1.51

Square 5nC
10nC

0.515nC
20nC
00510 5nC electron
15FWHM (ps)203015nC 25
Primary beam for
positron production

Figure 4: Energy spread vs bunch length.

- 835 -15nC

2σ E/E (%)

3.2

縦方向ウェークによるエネルギー分散Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

そこで時間方向の分布をガウシアンから矩形波にする事で、図４のように大幅にエネルギー分散を減らす事ができる。

4.

バンチの時間構造制御

短いバンチは横方向エミッタンスの増加を抑えるが、一方で縦方向ウェークが強くなり、それを補償するためには RF 位相を傾きのある方へずらす必要があり、これは加速電圧の低下につながる。これを抑えるには、バンチの時間構造を矩形にし、バンチ長を適切に選ぶ必要がある。さらに短いバンチ長でエネルギー分散を小さくするには、バンチの時間反転をするという事も検討している。
4.1

SuperKEKB の増強ではここにダンピングリングへの輸送路があるため、電子が逆側のシケインを通過する。図５のように、シケインのＱ磁石の設定を変更し、直線部でのシングルキックを利用してディスパージョンを発生させる事ができれば、図６のように負の R56 と自らの縦方向ウェークによるエネルギーの傾きを利用してバンチが反転できる。
ANGLE = 0.076

1.02m 1m 1.22m

Figure 4: Bunch flip at SY2.

フォトカソード用レーザー

pSY
レーザーシステムに関しても、目標のエネルギー3- 52
分散を得るには時間方向に矩形波のパルス形状が必要で、周波数領域制御により時間方向制御を行う。
C 2レーザーの安定化には半導体励起が必須であり、効率を考慮すると Nd 系か Yb 系の媒質が候補となる。Nd 系は増幅が簡単であり高出力も得やすいが、z帯 域 が 狭 く 周 波 数 領 域 の 制 御 が 難 し く 、 Chriped
Pulse Amplification (CPA)も難しいため、結晶断面積
Figure 5: Longitudinal wakefield cancellation.
に対する出力限界がある。Yb 系は帯域が広く周波数領域の制御やが容易であり、CPA が簡単に可能であるため原理的にはレーザー密度を非常に高くでき 5.
バンチ形状の測定系るが、Yb の吸収があるため高密度の励起が必要で、 以上のようにバンチの時間構造制御がエミッタン増幅が多段になりシステムとして複雑になる。
ス保存やエネルギー分散の実現において重要である。
RF 電子銃用のレーザーとしては試験用には Nd 時間構造を測定するには現在は 2ps 分解能のスト系の媒質を選択し、3-2 ユニットに導入して DAW リークカメラを使用しているが、今後ＸバンドのＲ型 RF 電子銃と組み合わせて試験を行った。また A- Ｆディフレクターをインストールし、バンチの形状1 RF 電子銃では Yb 系のファイバーレーザーとディ をバンチスライスで観測しつつ、調整を行う。
スクレーザーを導入しビーム試験を行っている。

4.2

6.

シケイン

RF 電子銃からの電子ビームのエミッタンスを要求値より十分に小さい 6 mm・mrad 程度で生成しようとすると、空間電荷からバンチ長は 20ps 程度になる。しかし 20ps では横方向ウェークの影響もエネルギー分散も大きすぎるため、シケインで 10psに圧縮する。

まとめSuperKEKB 入射器において高電荷・低エミッタンスビームの輸送には時間構造制御が有効であり、このためのレーザー、ビーム光学、診断系等の開発を行っている。

参考文献[1] T. Natsui et al., “Quasi Traveling Wave Side Couple RF
Gun for SuperKEKB”, TUOCB103, IPAC13, Shanghai,China, proceedings of this conference.
J-ARC は 1.6GeV に位置し、アイソクロナスで使用されていたが、これをアクロマティックに設定し、 [2] X.Zhou,et al., “Ytterbium Laser Development of DAW RF
Gun for SuperKEKB”, WEPME018, IPAC13, Shanghai,
残りの加速管のアラインメントエラーの要求値を少China, proceedings of this conference.
しでも緩和するために、バンチ圧縮を行う。例えば [3] Tor O. Raubenheimer, “The Generation and Acceleration of
4ps に圧縮した場合には必要なアラインメント精度
Low Emittance Flat Beams For Future Linear Colliders”,
SLAC-R-387が 0.3mm 程度になる。
[4] LCLS CDR Chapter 7 - Accelerator
4.4 バンチ反転[5] Karl L. F. Bane, “Wakefield Effects in a Linear Collider”,
Proceedings of the U.S. Summer School on High Energy
短いバンチは横方向エミッタンスの増加を抑制でParticle Accelerators, Batavia, Illinois, Aug. 13-31, 1984.
きるが、縦方向のウェーク場が強くなり、4ps より [6] J. Wang, “X-Band Deflectors Development at SLAC”, X短くなると、これをＳバンドのＲＦのスロープではBand RF Structure and Beam Dynamics Workshop - 44th
補償できなくなる。Ｃ～５セクターの計６セクター
ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop, December
2008の丁度中間には第二スイッチヤード(SY2)があり、

4.3

J-ARC でのバンチ圧縮- 836 -