DEVELOPMENT OF THE TURN-BY-TURN BEAM MONITOR USING AN
UNDULATOR RADIATION
Masaki Mitsuhiro#, Shiro Takano, Kazuhiro Tamura, Akira Mochihashi, Haruo Ohkuma
Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI/SPring-8)
1-1-1 Koto, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo, 679-5198

Abstract
At the diagnostic beamline II (BL05SS) of the SPring-8 storage ring, a turn-by-turn beam diagnostic system using
undulator radiation has been developed to observe fast phenomena such as stored beam oscillations during the top-up
injections, blowups of beam size and energy spread of a high current single bunch and so on. The principle andexperimental setup of the turn-by-turn diagnostic system, and examples of beam observations are reported.

アンジュレーター放射を用いた Turn-by-turn ビームモニターの開発
この Turn-by-turn モニターは、アンジュレーター放射の空間プロファイルをリング周回毎に観測する	  SPring-8 蓄 積 リ ン グ 加 速 器 診 断 ラ イ ン II ことができるシステムであり、高速蛍光体、結像光学系、高速カメラなどから構成される（図２）。光
(BL05SS)[1]では、 アンジュレーターからの放射光を子エネルギー 10keV 程度のアンジュレーター放射用いてリング周回毎に電子ビームの挙動を観測するの空間プロファイルを、真空中に設置した残光時間ための診断システムを開発してきた。これにより、が数十ナノ秒の YAG(Ce) 蛍光体を用いて可視光イTop-Up 入射時の蓄積ビーム振動測定、および H24 メージに変換する。YAG(Ce)結晶の厚さは 0.1mm で
年 10 月以降の運転から導入が予定されている大電 あり、変換された可視光線の中心波長は 550nm、バ流シングルバンチを含むハイブリッドフィルパター ンド幅は 100nm (FWHM)程度である。蛍光体上でのンのシングルバンチ部のみを切り出し、そのビーム プロファイルイメージをカメラ受光面上に結像させ
診 断 な ど に 活 用 す る こ と を 計 画 し て い る 。 こ の るための可視光結像光学系の途中で、ハーフミラー
Turn-by-turn ビームモニターのシステム構成および を用いて光路を２つに分け、それぞれに円筒レンズを用いた１次元集光光学系を組み込んでいる。光路
ビーム計測例について述べる。
１では、垂直方向に光を絞り込むことで像を圧縮し、水平方向の射影プロファイル（ライン状）が得られ2. Turn-by-turn 放射光ビームモニター
る。一方、光路２では、水平方向に光を絞り込んで[2]BL05SS に設置されている挿入光源(ID05) は、周像を圧縮しているので、垂直方向の射影プロファイ
期長 76 mm、周期数 51、最大 K 値が 5.8 のアンジュルが得られる。光路１と２で生成される水平、垂直レーターである。フロントエンド部には、光源点か方向の射影プロファイルは、イメージインテンシ
ら約 25m 下流の地点に４象限スリットが設置されて
フ ァ イ ヤ ー I.I. （ 浜 松 ホ ト ニ ク ス 製 C9548おり、測定条件に応じて開口を変えて用いる。また02MP47 ）の光電面上に同時に結像される。I.I.の光光学ハッチ内には、光源から約 70m 下流の地点に電面材質は GaAsP、MCP は２段内蔵、蛍光面は残Si(111)結晶を用いた二結晶分光器があり、アンジュ
光時間が短い P47 を用いている。最小ゲート時間はレーター放射の特定のハーモニクスのみを選択する
10 ns、最大繰り返しは 210 kHz である。２つのライことができる。Turn-by-turn 放射光ビームモニター
ン状の像は、リレーレンズを介して高速 CCD カメ
は二結晶分光器下流の実験ハッチ内に設置しており、ラ（米国ローパー社製 ProEM:512B)で撮像される。
光源点からみて約 90m 下流に位置している（図１）。
受光面の画素数は 512(X)×512(Y)、ピクセルサイズ
は 16 µm である。リング周回毎（周回時間： 4.79µs ）に放射光プロファイルを撮像するために、キネティクスモードと呼ばれる特殊な機能を用いる。これは、予め設定した受光エリア（サブフレーム）内の CCD 素子に蓄積した電荷を外部トリガーに同期して縦方向(Y 方向)にシフトさせることができる機能である。受光エリアはカメラ受光面全体の一番下の領域に位置し、光がそのエリアだけにあたるよう
図１： Turn-by-turn 放射光ビームモニターに関係すに光学系とカメラの位置を調整する。エリアサイズ
る BL05SS の主要機器配置（ビン幅）は Y 方向になるべく狭く設定する。最速のシフトレートは 0.45 µs/row である。

1.

はじめに____________________________________________#

masaki@spring8.or.jp- 597 -

ク強度や振動の位相情報に基づいて、入射バンプや補正キッカーの励磁タイミングのフィードバック制御に応用することを考えている。

図２： Turn-by-turn 放射光モニターの全体概略図。
光路１で作る水平方向のプロファイルは、ハーフミラーとともに構成されるペリスコープにより９０回転する。

3.

ビーム計測

3.1

入射時の蓄積ビームの振動

図３：入射に同期してキネティクスモードでシングルショット撮像した画像。左側の数字はバンプ電磁石励磁時点から数えたターン数であり、一番上のプロファイルは励磁前である。I.I.のゲートタ
イミングは、バンプ励磁波形の立ち上がり部分で残留キックを受けたバンチに合わせている。

Magnitude (a.u.)x'(µrad)SPring-8 では、ビーム入射時に４台のパルスバン30
プ電磁石によって蓄積ビームにバンプ軌道が作られ(a)る。４つの励磁波形の微妙な相違や励磁タイミング20のズレなどによってバンプ軌道が完全に閉じないた
め、水平方向に関しては残留キックによりビーム振10動が発生している。加速器立ち上げ時にバンプ励磁0タイミングや水平補正キッカー [3] の調整を行い、放射光利用実験に支障がない程度に振動を抑制してい-10る が 完 全 で は な い た め 、 Turn-by-turn 放 射 光 モ ニ
ターを用いてユーザー利用運転中に入射時のビーム-20振動を定期的に測定してきた。今回はその一例を示す。ID05 の K 値を 0.45 （磁極ギャップ 80 mm ）に-30020406080 100 120セットし、１次光 7.2 keV を用いた。放射光の角度
turn number
振動を測定するため、フロントエンド部のスリット
400
開口角を広げ、水平方向を 123 µrad、および垂直方(b)向を 45 µrad とした。Top-Up 入射に同期した信号を350
撮像開始のトリガーとして取得したシングルショッ
300
ト画像を図３に示す。露光時間は、イメージインテ
250	 
ンシファイヤー(I.I.)のゲート幅で決まり、200 ns に200
セ ッ ト し た 。 ゲ ー ト 信 号 は リ ン グ 周 回 信 号 (208.8kHz)の分周信号で、この画像データでは、バンプ励150
磁（入射）の 4 ターン前（-4 turn ）のタイミングか100ら、5 ターン毎に 120 ターン分のプロファイルを撮50像している。入射同期信号と分周された I.I.ゲート	 
0信号のタイミング関係を変えて、撮像開始ターンが00.1
0.2
0.3
0.4
0.5-5, -4, -3, -2, -1 ターンとなるデータのセットを揃え、 	 fractional tune
ターン番号の順にソートして水平方向についてプ 	 ロットすると図４(a)が得られる。図４(b)は、その 	  図４：(a)ターン毎に測定した水平プロファイルかFFT 解析であり、水平方向のベータトロンチューン 	  ら求めた放射光の角度振動。(b)振動の FFT 解析。の小数部 0.15 付近にピークが現れている。このピー 	  ベータトロンチューン（小数部 0.15 ）が主成分。

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3.2

電子ビームのエネルギー拡がり

ターからの分光フラックス密度がバンチ電流に比例して単純に増えていかないことになる。これは光源性能に直結する問題であり、今後、大電流バンチ運転における光源性能を評価する上で、エネルギー拡がり測定の重要性が増してくるものと思われる。

E

energy spread σ /E (%)

Eσ /E(%)

	  ID05 の磁極ギャップを狭くし K 値を大きくするとマルチポールウィグラーとなり、高次光が放射されるようになる。一般に、高次光は電子ビームのエネルギー拡がりに敏感であるため、これを用いて逆にエネルギー拡がりを診断することができる。高次Calibration Curve0.22光の空間プロファイルの幅は、水平方向に関しては水平エミッタンスの影響が支配的であるが、垂直方0.2向に関してはエミッタンスが小さいため、エネルギー拡がりとアンジュレーター放射本来の持つ角度0.18発散によって決まる。つまり、エネルギー拡がりの0.16空間プロファイルへの影響は、垂直方向の幅の変化として現れる [2] 。これらの性質から、高次光の空間0.14プロファイルを使って水平エミッタンスとエネル0.12ギー拡がりを同時に高速計測することが可能となる。	  ここで示す測定例は、試験的に行なった 7GeV 運
0.1
転の際のエネルギー拡がりのバンチ電流依存性であ0.08る。ID05 の K 値を 3.74 （磁極ギャップ 30.44 mm ）0.32 0.33 0.34 0.35 0.36 0.37 0.38 0.39 0.4にセットし、15 次光 11.36 keV を用いた。フロント
Observed Vertical Width (mm)エンド部のスリット開口は、二結晶分光器への熱負荷を考慮し、水平方向 ΔX を 0.2 mm と狭くした。 図５： RF 周波数を振り、ビームの中心エネルギーまたこうすることで、YAG(Ce)蛍光板に投影される を変えて測定した垂直方向プロファイルの幅に基づ水平方向のプロファイルが、光源点におけるビーム き構築したエネルギー拡がり較正曲線。実線は３次の水平方向分布のピンホールイメージとなる。ス 関数によるフィッティングカーブ。
リットの垂直方向の開口 ΔY については、15 次光がMeasured Energy Spread切られない程度の 1.2 mm とした。垂直方向の放射0.2の幅とエネルギー拡がりの関係を較正するために、0.18
バンチ電流が小さいマルチバンチビームを用いて、RF 周波数を変えることによりビームエネルギーの0.16中心値を変化させながら 15 次光の垂直プロファイルを測定した。このとき、ビームエネルギーを最大0.14で 0.18%程度変えた計算となる。このデータに基づき算出した較正曲線が図５である。ここで、RF 周
0.12
波数が中心値（ビームエネルギー 7.000 GeV ）のときに測定した垂直プロファイルの幅が、7GeV にお0.1ける自然エネルギー拡がりの計算値 0.0957% に対応0.08するものとした。図６は、実際に測定したエネル
0246810 12 14ギー拡がりのシングルバンチ電流依存性である。シbunch current (mA)
ングルバンチ部に I.I.ゲート（幅 200 ns ）をかけ、キネティクスモードでバンチ電流ごとに 100 フレー 図６： 7 GeV 試験運転時に測定したエネルギー拡がムの画像をシングルショットで取得した。このとき りのシングルバンチ電流依存性。の設定では、１フレーム当たりにプロファイルが 24個含まれているので合計 2400 個の幅のデータが得られ、その幅の平均値を図５の較正曲線を用いてエ 参考文献ネルギー拡がりに変換した。今回の測定結果では、 [1] S. Takano, et al., Proceedings of SRI 2009, 10th
International Conference on Synchrotron Radiation
バンチ電流が 2 mA 程度からすでにエネルギー拡がInstrumentation, Melbourne, Australia, 27 Sep.- 2 Oct. 2009,
りの増大がみられ、13 mA では約 0.18%となり、元pp.399-402.
[2] M. Masaki, et al., Proceedings of SRI 2009, 10thのエネルギー拡がりの２倍近くに達している。
International Conference on Synchrotron Radiation	  SPring-8 蓄積リングでは、高度化の一環としてバInstrumentation, Melbourne, Australia, 27 Sep.- 2 Oct. 2009,
ンチ電流の増強が計画されている。一般にバンチ電
pp.560-563.
流を増やすとウェイクの影響などによりエネルギー [3] C. Mitsuda, et al., Proceedings of IPAC 2010, Kyoto, Japan,
23-28 May. 2010, pp.2552-2554.
拡がりが増大する傾向があるため、アンジュレー- 599 -