ATF の最終収束試験における微小ビームサイズの達成
２０１３．８．３．
久保浄、奥木敏行 （ＫＥＫ）
ATF Collaboration

ATF (Accelerator Test Facility) at KEK
主にリニアコライダーの加速器の開発研究のための電子加速器• リニアコライダーの入射器、ダンピングリングの試験設備として設計された• 低エミッタンスビームの生成に成功(εy ~4 pm, γεy ~10 nm)• 加速器を構成する様々な機器のR&D のためにも使用されてきた• ATF2– ATF を拡張して、リニアコライダーの最終収束の試験を行う。
– Goal 1: 極小ビームサイズに収束する ~ 40 nm– Goal 2: 安定な軌道, 収束点（仮想衝突点、IP）で ~2 nm
今回の報告Accelerator Test Facility (ATF) at KEK
Focal Point
Extraction LineIP; ~40 nm beam
Final Focus Test LineATF Damping Ring (140 m)

Photo-cathode RF Gun

ATF Linac (1.3 GeV)ATF2は デザイン、建設、運転の全てを国際協力で進めてきた
ATF Main Institutes

CERN
Germany
DESY
FranceIN2P3; LAL, LAPP, LLR
UK
Univ. of Oxford
Royal Holloway Univ. of London
STFC, Daresbury
Univ. of Manchester
Univ. of Liverpool
Univ. College London
Italy
INFN, Frascati
Spain
IFIC-CSIC/UV
RussiaTomsk Polytechnic Univ.

USAJapan
KEK
Tohoku Univ.
Univ. of Tokyo
Waseda Univ.
Nagoya Univ.
Kyoto Univ.
Hiroshima Univ.
China
IHEP
Korea
PAL
KNU
India
RRCAT

SLAC
LBNL
FNALLLNL
BNLCornell Univ.
Notre Dome Univ.

ATF2 Beam Lineの特徴: ILC 最終収束系のPrototype• 同程度の電磁石の設置位置誤差、振動誤差等が要求される。
• 同程度の Natural Chromaticity (~10000)。
• 同じビーム調整技術でビーム調整を行う。

ILC-BDS

ATF2

L* / βy* = 10000

L* / βy* = 10000

IP

IP
5

ILC と ATF2 の電磁石の許容値の比較
電磁石の強さの誤差の許容値

電磁石の設置位置誤差の許容値

ILC
ATF2
横軸は電磁石の名前
ILC と ATF2の電磁石は同じ役割、名前である。
電磁石の回転設置誤差の許容値

電磁石の振動の許容値

ILCとATF2の電磁石の許容誤差はほぼ同じである。
6

最終収束でのChromatic Aberration
horizontal

vertical

ビーム内電子のエネルギーの違いにより、焦点がずれる。
ほとんどの影響は最後の発散・収束磁石（Final Doublet）から
 Horizontal Dispersion のある場所に６極磁石を置いて補正

Local Chromatic Correction
Sextupole magnets

Final Doublet
衝突点

Horizontal Dispersion

Global Chromatic Correction
Sextupole magnets

Final Doublet
衝突点

Horizontal Dispersion

Local Correction Global Correction の比較

Local Correction の方がEnergy Acceptance が大きい。

Local Correction の方がTail の拡がりが少ない

設計通りに補正できれば、Local Correction の方が性能が良い。

Local Chromaticity Correction の特徴
利点•

ビームラインを短くできる。

•

エネルギーの許容値が大きい。

•ビーム tail が少ない

しかし、調整が複雑• 同じ６極磁石が水平、垂直両方向に効く• 衝突点で水平角度 dispersion がある
Global Correction は1994年にSLAC のFFTB（Final Focus Test Beam )で 既に試験されている。

ATF2 でLocal Correction を試験

焦点でのビームサイズ測定
Shintake-monitor, （IP-BSM）
Interference of two laser beams

電子ビームとの散乱で発生するガンマ線の量を測定

h=θ

λ2 sin(θ / 2)

Exampleγ 線強度

Fringe scan

Fringe phase
Scan interference fringe position.
Measure modulation.

交差角を変えることで異なるビームサイズに対応
干渉縞の間隔 h =λ2 sin(θ / 2)
Dynamic Range

174 度モード
30 度モード
2-8 度モード

焦点25 nm ~ 6000 nm 測定可能

ビーム調整の進みに応じて交差角を大きくしていく12ビーム調整： 垂直ビームサイズ調整ノブ
5 sextupole magnets (on movers) ：位置と強さ
4 skew-sextupole corrector magnets：強さ
Corrected coupling
Linear knob
（線形オプティクス調整）

Horizontal move of sextupole
magnetsyy’(Focal Position)

Vertical move of sextupole
magnets

Ey(Dispersion)x’yNon-linear knob

Strength change of sextupole
magnetsx’yy’

Strength change of skew
sextupole magnets

xxy

Eyy’
Exy
EEy
yy’y’

Example of tuning knob scan
調整ノブの値を変え、Modulation を測定 （Modulation 大  ビームサイズ小）Modulation 最大になるところにセット

γ 線強度

Example of fringe scan

Preliminary2012年12月初めて IP-BSM 交差角174度でのModulation 確認 （<70 nm）
その後は常にこのレベルまで調整できるようになった （2013年3月 65nm）
ビーム調整後の１０回の連続測定の結果
2012年12月
2013年3月
2012/12/21
4σy = 72.8+/-5.1
32105060708090

Evaluated beam size [nm]

このヒストグラムはビームサイズモニターの系統誤差を考慮していない。

History of measured beam size
350300Dec 2010

250200150
100500Earth Quake

Measured minimum
beam size (nm)400

Feb-Jun 2012
Dec 2012
目標値

Feb-Apr 2013

Modulation
Modulation
With 30 deg. mode
With 2~8 deg. mode

Modulation
With 174 deg. mode

高次極磁場成分への対策（４極）磁石の持つ高次極の磁場成分が問題•高次成分の影響の少ない optics を採用(焦点での水平ベータ関数大: 磁石の場所でのビームサイズ小)•最後の水平収束４極磁石を交換
小口径、高次極磁場誤差大  大口径、高次極磁場小６極磁石コイルの問題•高次極の補正磁石を追加 (skew sextupoles)
これを使用した実験結果とシミュレーションの比較により、１つの６極磁石に問題があることが判明。
１つのコイルの admittance の異常を確認、磁石を入れ替え

Skew ６極磁石を用いた調整調整ノブの値を変え、Modulation をプロット。 Modulation 大  ビームサイズ小2012年 12月

Skew ６極磁石を強くしないとビームサイズが小さくならなかった。
これは計算と矛盾する。
６極磁石の１個のコイルの不具合を発見、入れ替え。

2013年 3月

Skew ６極磁石ほぼゼロでビームサイズが最小。
計算と一致。

Intensity dependence
バンチ当たりの電荷を下げないとサイズが小さくならない（強いintensity dependence がある）
最終収束ラインでのTransverse Wakefield が疑われる• ILCと比べ、– 低いエネルギー（1.3 GeV vs. 250 GeV）
全てtransverse wakefield の影響を大きくする要因– 長いバンチ長 （7-9 mm vs. 0.3 mm）• ILC と同様に、大きなベータ関数
Wakefield の影響の実験的な調査
ベータ関数の大きな場所でのwakefield source をなるべく取り除く
他の可能性が全くないわけではない（intra-beam scattering + Chromatic aberration, Geometrical aberration）

Intensity Dependence
0.8
April 26, 2013
May 21, 2013

Modulation

0.7

Modulation
 2π 2σ y2 = cosθ exp −2
h


0.6

0.5

(θ = 30 )

0.4

0.3
00.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

q (Bunch Charge) (nC)

Fitted lines:

σ y2 = σ y2,0 + w2 q 2w = 100 nm/nC, 140 nm/nC

Damping Ring での intra-beam
scatteringなどでは説明できないWakefield source on mover
Wakefield source
Bellows

Cavity BPM, Bellows

Bellows• Wakefield の影響の調査のため。
• 他の場所でのWakefeild の効果をCancel することも期待できる。

IP-BSM Ｍｏｎｉｔｏｒ modulation
vs. Position of wakefield source on mover
Cavity BPM
Reference cavity

Bellows without shield

ビームサイズへの影響は、計算よりも1.5~2倍大きいようである。
（ファクター２以内では合っている。）

Shield of Bellows
最終収束ラインではほとんどの磁石がmover 上にあり、位置の微調整が可能。
 磁石の両側に bellows がある。

Terunuma2013 年５月、ほとんどの bellows にシールドを差し込んだ。
はっきりした効果はこれまでのところ確認できていない。

設計ビームサイズになっていない、考えられる理由• 非線形磁場– 調整ノブで対応できていないもの• 調整ノブが不完全？
• ６極磁場成分よりも高次の効果？
• Wake field• Beam position jitter
見かけのビームサイズ増大• ビームサイズモニターの系統誤差上のどれもが重要かもしれない。
データ解析、シミュレーション等進行中。
秋からの実験でさらに調査したい。

まとめ• ILC と同様の最終収束方式で、70 nm 以下のビームサイズを達成、確認した （2012年 12月）。
• その後、65 nm 程度のビームサイズを繰り返し確認。ビーム調整方法をほぼ確立した。
• 高次極磁場成分（誤差）への対策により、ビームサイズ増大を抑えることができた。
• 残る問題– 設計ビームサイズ（37 nm）まで到達していない• まだ多くの原因が考えられる。今後明らかにしたい。
– 強い intensity dependence （おそらく wake field が原因）
• 原因の特定、低減策をさらに検討中。