Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 THP132

KEK 先端加速器試験装置(ATF2)におけるアライメントの現状	 
PRESENT STATUS OF ALIGNMENT FOR ATF2 BEAM LINE
荒木栄#, A)，奥木敏行 A)，久保浄 A)，黒田茂 A)，田内利明 A)，
照沼信浩 A)，内藤孝 A)，清水 健一 B)，大房 拓也 C)#, A)
Sakae Araki , Toshiyuki OkugiA), Kiyoshi Kubo A), Shigeru Kuroda A), Toshiaki Tauchi A), Nobuhiro Terunuma A),
Takashi Naito A), Shimizu Kenichi, Ohusa Takuya C)
A)High Energy Accelerator Research Organization (KEK)B)
SK-service INC.
C)
Kantou Information Service (KIS)

Abstract
Accelerator Test Facility (ATF) in KEK is starting the beam-study of ATF2 that is the final-focus beam line in 2009.
We confirmed the vertical beam size smaller than 44 nm with low intensity by June 2014 in ATF2. After the several
measurements, it was found that the length of the Damping Ring was different with the SAD design. The alignment ofDR and ATF2 is good for the most part. We also undergo influence of a seasonal variation, so the measurement
environment should be arranged and measured. A precise alignment is established. There is also a magnet by which analignment error becomes big by a measurement result. We have to keep an alignment tolerance fixedly. It reports thealignment status.

はじめに

KEK の先端加速器試験装置(ATF)では国際リニアコライダー(ILC)において必要とされるビーム計測・制御技術の開発を進めている[1]。ダンピングリング(DR)では、電子ビームを ILC で要求される程度の低エミッタンスビームで運転する事ができた。
現在、ILC 最終収束系の試験施設である ATF2ビームラインを利用した研究開発で、極小ビームの実現やナノメートルでのビーム安定化に向けたビーム試験を進めている[2, 3]。その結果、2014 年 6 月には 44nm まで絞り込むことに成功した[4, 5]。 ATFの ア ラ イ メ ン ト ・ ト レ ラ ン ス は 、 σ Transverse <90µm、σVertical < 60µm、σRotation < 0.2mrad である。既存の建屋内に設置した ATF ビームライン(Figure 1)は、長期的な地盤変動や気候・温度などの変動によるミスアライメントも発生している。また、ナノメートルレベルでのビーム位置制御を実現には、電磁石の振動対策も必要である。特に最終収束系電磁石の架台剛性はビーム振動に影響する可能性がある。ダンピングリング(DR)および ATF2 ビームライ
ンアライメントの現状を報告する。

2.

事ができた。DR から取り出し直後のビームサイズで、震災以前の X=21.5µm、Y=13µm 程度の性能に戻す事もでき、アライメント・トレランスも達成した [6] 。 2014 年 夏 よ り 、 デ ー タ 解 析 は 、
SpatialAnalyzer® (SA) の Unified Spatial Metrology
Network (USMN)[7]を用いた。それ以前は独自解析を行っていた。その後 USMN の結果と比較してもDR 長径および短径距離に誤差は生じるがビーム軌

Figure 1: Layout of the ATF beam line.
動径方向（外側＋）DR アライメント

U(13Oct)Q
U(13Oct)B
U(13Oct)SU(13Oct)TAfterAlign500

測量には 3 次元測量器レーザートラッカー[FARO製](LT)、高さ方向については Y レベル[ライカ製デジタルレベル](DNA03)を使用している。DR は 2011年 3 月の東北・関東大震災の影響で+/-0.5mm と大きく崩れ、低エミッタンスビームを維持する事が出来なくなった。2011 年秋に精密アライメントを終えて、動径・高さ方向共に設置残差:RMS=50µm に納める

500 um0-500

BT line
-1000
-2000

W-ARC

N-STR

-1000

01000

E-ARC

S-STR

2000

3000

4000

5000

EXT6000

Magnet location in DR

動径方向（外側＋）2014年10月survey of DR Transvers

Figure 2: Transvers survey of the ATF-DR beam line.
1000

H(14Oct)u

500 um____________________________________________
500

sakae.araki@kek.jp[um]#2013年10月

survey of DR Transvers
1000

[um]

1.

- 1389 -0-500

BT line
-1000
-2000

-1000

W-ARC

N-STR
01000

2000

E-ARC

S-STR
3000

4000

5000

EXT6000

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高さ方向

survey of DR Height
1000
Q_Z2u
B_Z2u
S_Z2u500 um[um]

5000-500

BT line-1000-2000-1000

W-ARC

N-STR01000

E-ARC

S-STR

2000

3000

4000

5000

EXT6000

Magnet location in DR

動径方向（外側＋）survey of DR Transvers
1000

500 um

Q_U1
B_U1
S_U1

500

[um]

道設計値との残差平均は 100µm 程度であり独自解析結果の整合性も確認した。2013 年秋に測量した DR
動径(横)方向の測量結果を Figure 2(赤印:4 極電磁石、緑印:ベンディング電磁石、青印:6 極電磁石) に示す。
当時の動径方向アライメント残差は、
全電磁石:dT(all)rms=120µm
4 極電磁石:dT(Q)rms=60µmであり少しばらつきが増えた。精密アライメントはLT で測量して、DNA03 で高さを確認しながら計測値を基に調整をする。季節変動と元に戻らない経年変動で再びアライメントエラーが増えている事が判明している。2015 年夏の DR 測量結果を Figure 3 に示す。設置残差は、
高さ(縦)方向:dV(all)rms=66µm
dV(Q)rms=81µm
動径(横)方向: dT(all)σ=175µm 、ave= -217µm
dT(Q)σ=122µm 、ave= -178µm
ビーム進行方向: dL(all)rms=291µm
dL(Q)rms=193µm
若干残差が大きくなり、秋からのビーム運転に備えて少し調整する必要がある。

0-500

BT line
-1000
-2000

-1000

W-ARC

N-STR
0

1000

E-ARC

S-STR

2000

3000

4000

5000

EXT
6000

Magnet location in DR

ビーム進行方向（下流＋）survey of DR Longitudinal

DR 周長の変動

Q_V1
B_V1
S_V1

DR 水平方向の変動には、横方向だけでなくビーム進行方向の残差も伴う。ビーム進行方向のエラーはビームトレランスの許容値は大きいが周長が変わってしまうと加速器運転時にリング周回軌道が変化してしまう。現在はウイグラーなどの DR 周長を調整する機構を持たないため、ビーム軌道が DR 周回上の電磁石センターを維持できなくなる。そのため、DR 基準周波数を振って、軌道センターを維持するように調整している。運転時の DR 基準周波数の推移を Figure 4(a)に示す。冬は周波数が上がり春は徐々に下がる。ほぼ年周期で変動している事が分かる。DR 周長の変化割合に換算すると PP˜=4.3mmである。また、過去の LT 測量結果(Figure 4(b))からも電磁石の間隔が変化している。周長変化は通常の全点測量の他に測量時間を短縮するために、Figure4(c)の様にリングを 8 区間に分けて 8 角形の辺の距(a) Change of the DR frequency

500 um

500

[um]

3.

10000-500

BT line-1000-2000-1000

W-ARC

N-STR
01000

2000

E-ARC

S-STR
3000

4000

5000

EXT6000

Magnet location in DR

Figure 3: Survey of the ATF-DR beam line in July 2015.
離を算出して簡易的に周長に準じた変動を観察している。どちらのデータも初夏の温かい時期に比べて寒い冬は周長が短くなり、季節変動している事が分かる。DR の東西を比べると、西側より東側の変動が大きい、建物内の中央部と東-外側の違いにより外乱を受けやすいのかも知れない。

(b) Octagonal side measurement(c) 8 distance measurement

Figure 4: History of the circumference of DR. Change in a circumference when beam on, and the simple
circumference measurement when maintenance.

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PASJ2015 THP132

Z(13Nov)Q
Z(13Nov)B

Survey of EXT/FF-all Heightsurvey of EXT/FF-all Height

800

800

400400[ um ][ um ]

Z(13Nov)S00-400-400-800-800-20000

Z('15May)Q
Z('15May)B
Z('15May)S
Z('15May)DR
Z_605FF04

020000

40000

60000

-20000

80000

0800

800

400

4000-400-800-800

020000

40000

60000

80000

0-400-20000

40000

Survey of EXT/FF-all Transverse

survey of EXT/FF-all Transverse[ um ][ um ]

U(13Nov)Q
U(13Nov)BU(13Nov)SU(13Nov)DR20000

beam-direction [mm]beam-direction [mm]60000

-2000080000

U('15May)Q
U('15May)B
U('15May)SU('15May)DR
U_605FF04
020000

40000

60000

80000

beam-direction [mm]beam-direction [mm](a) Deviation in Nov. 2013(b) Deviation in May 2015
Figure 5: Survey of the height and transverse of ATF2 beam line.

4.

ATF2 ビームライン（EXT/FF）
アライメントin IP : V-table

EXT/FF ラインの精密アライメント後、2013 年秋の結果、高さ方向:σ=57µm, 横方向:σ=60µm (Figure5(a))、2015 年春の測量結果、高さ方向:σ=151µm,横方向:σ=122µm (Figure 5(b))である。横軸はビーム進行距離でビームダンプまで約 90m。ほぼ中間に床基礎の切れ目があり、DR 側と拡張基礎部分の FF 側で異なる動きをしている。2015 年 5 月にサポート架台の調整を施した。その結果は Figure 5(b)の桃丸で示す。アライメント残差は経年変化により大きくなったが後半の FF エリアの 4 極電磁石はアクティブムーバ架台に設置されている。全体に大きな段差もなく稼働調整範囲内を超えていないので問題ではない。

5.

Figure 6: IP-BPM A, B, C drawing and picture. Targetof the alignment accuracy is 50 microns.

IP-BPM アライメント

ATF2 ビームラインの仮想衝突点(収束点)は、スクリーンモニタ、ビームサイズモニタ(IP-BSM)、空洞型ビームポジションモニタ 3 台(IP-BPM)が設置されている[4]。IP-BPM は 2 セットのピエゾムーバが組み込まれており、ダイナミックレンジは 300µm である(Figure 6)。その可動範囲内に 3 台の IP-BPM を高精度で設置する必要がある。その目標精度は 50µmである。組立調整には多関節 3 次元測量器(FAROARM)を用いて組上げた。また、組上げ結果(Figure7)に基づき収束点チェンバーの角度補正を行った。

Figure 7: Alignment Result of IP-BPM. Pitch alignmentof IP-Chamber was adjusted on the V-table.

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PASJ2015 THP1326.

最終収束系電磁石の振動

ATF2 の仮想焦点(IP)は 37µm である。そこまで絞るためには、ビームパイプの繋ぎ目などの段差もWakefield に影響するので対策やアライメントも必要になる。IP 直前にある最終収束系の電磁石の振動も抑えるため、防振台に設置されている(Figure 8)。
また、2012 年夏に QF1FF(４極電磁石)は、より大型の電磁石(重量 1.2t)に入れ換えをおこなった。この大型電磁石も他と同様にアクティブムーバに設置される。電磁石群が非同期で早い振動があるとビームジッターの要因になり、収束や計測に影響するので振動測定をしている。KEK サポート架台の剛性を上げるため、シムの挟み込みや強化(Figure 9)を進めたが、2015 年春に国際協力を進めている LAPP(フランス)[8]による剛性を上げた T プレート型に交換した(Figure 10)。KEK 下部サポート架台(桃線)と T プ
レート型サポート架台(緑線および黒線)のサポート方法の違いによる振動測定結果を Figure 11 および、パワースペクトラムの一部を Figure 12 に示す。T プ
レート型は測定範囲全域では良好な振動抑制は得られたが、それでも(a)横方向に 17-19Hz、(b)縦方向に44-48Hz ピークの雑振動がある。未だこの付近の震動源は判明していない。

7.

Figure 8: Vibration isolated table and active-mover.

Figure 9: KEK-support and shims+ side blocks.

まとめDR と ATF2 のアライメントは震災以降、高さ方向の変動は小さくなり概ね良好である。季節変動を受けつつも環境温度の影響も受けるので、運転状況に近い環境で測量すべきである。精密アライメントは確立しているが、最近の測量結果では、年々ズレが大きくなっている箇所もある。今後も定期的に測量を行い、アライメント・トレランスを一定に保つ必要がある。また、振動の影響を受けやすい箇所はこれからも振動対策を進めなければならない。

Figure 10: LAPP-support and side blocks.

参考文献[1] ATF Collaboration, Phys. Rev. Lett., 88, 194801 (2002).
[2] ATF2 Collaboration., “ATF2 Proposal”, KEK Report
2005-2(2005).
[3] P.Bambade et al., “Present status and first results of the
final focus beam line at the KEK Accelerator Test Facility”,
Phys. Rev. ST-AB 13, 042801 (2010).
[4] N.Terunuma et al., “先端加速器試験施設(ATF)の現状”,
本加速器学会.
[5] T.Okugi et al., “ATF2 ビームラインでの微小ビームサイズの達成”, 本加速器学会.
[6] S.Araki, et al., “KEK 先端加速器試験装置（ATF）におけ る ア ラ イ メ ン ト の 復 旧 ”, Proceedings of the 9th
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Toyonaka,
Aug. 8-11, 2012.
[7] http://www.kinematics.com/spatialanalyzer/usmn.php[8] S.Araki, et al., “KEK-ATF における最終収束系試験用電磁石のアライメント”, Proceedings of Particle Accelerator
Society Meeting 2009, JAEA, Tokai, Aug. 5-7, 2009.

Figure 11: Summarizes the relative displacements at1Hz for the different configurations. Photo ismeasurement set-up.

(a) Horizontal direction(6-50Hz)(b) Vertical direction(6-70Hz)

Figure 12: Transfer function measurements between thetop of the FD table and the top of QF1FF.

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