Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

GATED BEAM-POSITION MONITOR AND ITS APPLICATION AT KEKB
Takao Ieiri, Hitoshi Fukuma, Yoshihiro Funakoshi, Kazuhito Ohmi and Makoto Tobiyama,
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba-shi, Ibaraki, 305-0801
Abstract
A gated beam-position monitor (GBPM) that is capable of measuring the beam phase and transverse position of aspecific bunch has been developed. This GBPM can be used for beam dynamics measurements at KEKB, a double-ringelectron/positron collider. First, the monitor is used to measure a beam-beam kick by comparing the beam position of acolliding bunch with that of a non-colliding bunch. The monitor estimates the effective horizontal beam size at aninteraction point (IP) from a linear part of the beam-beam kick and revealed the effect of the crab cavities on the beambeam kick. Next, the beam phase and transverse positions are measured along a bunch train. A horizontal orbit
displacement was found under the crabbing collision. The horizontal displacement is caused by an asymmetric kick of
the crab cavities, which is based on the transient beam loading. The technique using a gate has the advantage ofdiagnosing a beam anytime without disturbing other bunches.

ゲ ー ト 制 御 型 ビ ー ム 位 置 モ ニ タ ー と KEKBで の 応 用
１．はじめに[1]た差分は、モニター内でのエラーやグローバルな軌道補正の影響をキャンセルするであろう。図１にモニターシステムのブロック図を示す。ボタン電極でピックアップされたバンチ信号は8 ns 幅のパルスでゲートされる。そのパルス信号は加速周波数で動作 す る IQ(In-phase and Quadrature phase)回 路 で検波されその出力パルスのピーク値がADC内でサンプルされる。IQ検波を用いているので、水平垂直軌[4]
道と同時にビーム位相も測定できる 。このモニターの特性は表１に示される。平均化法を用いれば、数ミクロンの分解能で軌道を測定できる。

KEKB は２つのリングを持ち電子と陽電子ビームをリングの１カ所で衝突させる加速器である。電子ビームのエネルギーは8GeV、陽電子は3.5GeV、それぞれのリングはHER、LERと呼ばれている。衝突は水平方向に22mradの角度付きでなされていたが、昨年クラブ空洞が設置され、有限角もった軌道で実効的[2]な正面衝突させることを世界で最初に実現した 。
このクラブ空洞は、ビームの重心軌道は変えないでバンチを水平方向に回転させることができる。クラブ空洞は各リングに１台ずつ設置されているので、クラブ空洞によるバンチの水平方向傾き効果を全周で観測することができる。しかし、衝突状態の変化を直接観測することは難しい。一方、ゲート制御型
ビーム位置モニターはバンチ毎にビーム軌道を測定することができる。このモニターを用い、衝突バン
チと非衝突バンチの軌道差から、衝突点でのビーム・ビームキックを測定することができる。ビーム・ビームキック力の違いから、クラブ空洞による衝突効果を観測することができるであろう。又、加速空洞でのビーム負荷により、ビーム位相がバンチ[3]毎に違っていることが観測されている 。この位相
図１：ゲート制御型位置モニターの概略
変調がクラブ空洞の下でどのような影響を受けるであろうか。さらに、ゲート制御型ビーム位置モニ
表１モニターの性能
ターは、個別バンチの振動を測定することができる。
Pick-upElectrode
Button
この測定は、他のバンチを乱すことがないので、KEKBのような多数バンチで運転している加速器で、Detector Bandwidth509+/- 30 MHz
常時ビーム診断に応用できるであろう。
Resolution of Position
20 µm @ turn-by-turn
3 to 5 µm @ average
２．モニターシステム
Resolution of Phase
0.3 deg. @ turn-by-turn0.10 deg. @ average
ゲート制御型ビーム位置モニターはある特定バンIsolationofGate> 50 dB @ 2GHz
チを選択しそのバンチ信号をリングの回転周期以内
40 dB @ 6 ns spacingの時間で処理する。複数個のバンチデータを測定し-646-

Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)が変わり、ビーム位相が回転周期内で変わる[3]
Transient Beam Loading 現象が観測されている 。
ビーム位相の変化はほぼシミュレーション結果と3.1 ビーム・ビームキックの測定合っているが、トレイン先頭部ではシミュレーショ電子と陽電子バンチの軌道がずれた状態で衝突すンと合ってない。我々はLERのトレイン先頭部でると、お互いの電磁力によりバンチはキックされる。 ビーム位相変化を観測した。図3に水平方向軌道とその結果、両ビームの軌道変位が全周に現われる。
ビーム位相をバケット番号の関数として示す。ビー
今、衝突点からのベータトロン位相進み "# d の場所
ム位相は、先頭から40バケットまで急激に増加したで検出される軌道変位 "X det . は後、平坦部を経て140バケット付近でジャンプする。
*
その後直線的に増加している。位相の変化量は、(b)# det .#
（１）
"X det . =& bb cos($% ' "( d )の方が大きい。これは(a)(b)とも同じビーム電流であ2sin($% )!
るが、(b)の方が空きバケット領域が大きいためであとなる。ここで、!
" det . と " * は検出器と衝突点でのる。直線的なゆっくりした位相増加はシミュレーベータトロン関数で、 " はベータトロンチューン、[3]ション結果と一致するが 、トレイン先頭での急激" bb は衝突によるキック角である。 " det ." * はダイナな位相変化を説明することができない。このステッ!
ミックビーム・ビーム効果を考慮してもほぼ一定でプ応答的な位相変化は、おそらく縦方向ウェーク場!
!
あるので、観測される軌道変位はビーム・ビーム!に関係したものと推測している。次に、水平方向のキック角に比例する。一般に衝突点での軌道変位に!
軌道変化はクラブ電圧オンとオフで全く違う振る舞
対するビーム・ビームキックは非線形曲線になるが、いを示している。クラブ電圧がオフの場合、水平軌軌道変位が極小さい領域においては、直線で近似す道は50µm以内に収まっているのに対し、クラブ電ることができる。その勾配はビームビームパラメー
圧をオンにすると水平方向軌道が位相変化に対応しタに比例し、実効的なビームサイズを推定することて変化するのがわかる。その変化量はおよそできる。
33µm/deg。これはクラブキック電圧波形の位相に対ビーム・ビームキックを測定するために、衝突点しビーム位相がずれると、クラブキックがバンチ前での電子と陽電子ビームの相対的な軌道を変えなが後で非対称になり、キック力の差分がバンチ重心のら陽電子ビームの衝突バンチと衝突していないバン軌道変位を作るためである。軌道変位の測定値と計チの軌道差を測定した。図２にほぼ同じバンチ強度算値はほぼ合っている。の下で測定した軌道差を衝突点での水平軌道変位の(a) Crab off, 4-bucket spacing
3.5-37関数として示し、クラブ空洞電圧がオンの場合とオフの場合とで比較している。クラブ空洞によりビー
3.45-38
ム・ビームキック力が増加し、中心付近での勾配が3.4-39約2倍増加していることがわかる。これは、実効的
3.35-40な水平方向サイズが 1 / 2 倍に縮んだことを意味し3.3-41ている。
200
3.25-42150 !
Crab ON
3.2-430 100 200 300 400 500 600
100Bucket
50
0 Crab OFF(b) Crab on, 3-bucket spacing -34
3.5-503.45-35-100
3.4-36-150
3.35-37-300 -200 -1000100 200 300
3.3-38
Horizontal Offset (µm)
3.25-39
図２：衝突点での両ビームの水平方向相対的位置変3.2-40位に対するモニター地点での水平軌道変位、赤丸が3.15-41
3.1-42
クラブ空洞電圧オン、緑がクラブ電圧オフ。
0 100 200 300 400 500 600
Bucket
3.2 バンチトレインに沿った軌道及び位相の変化
図３：陽電子バンチの水平方向位置（赤）とビーム
KEKBのビームの回転周期は10µs、ハーモニック位相（緑）のトレイン先頭部での変化、(a)クラブ空数は5120であるが、全バケットにバンチが入ってい洞オフ、4バケット間隔、 (b)クラブ空洞オン、3バるわけではない。バンチは3ないし4バケット間隔のケット間隔、バンチ電流は共に1.1mA。
繰返し周期で並んでいる。これをバンチトレインと呼んでいる。又、バンチトレインの後には、ビーム我々はLERのトレイン先頭部で、水平軌道とビーを瞬時にダンプさせるための空きバケット領域があム位相の急激な変位を観測した。このトレイン先頭る。これは、回転周期の5％を占めている。この空部はビーム損失が起こり易い領域でもある。図4に
きバケット領域があるために加速空洞のビーム負荷

Horizontal Position (mm)Beam Phase (deg)Beam Phase (deg)-647-

Horizontal Position (mm)!

Position Shift (µm)

３．応用例

Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

Horizontal Position
at Monitor2 (mm)Vertical Position (mm)Horizontal Position (mm)Vertical Position (mm)

垂直方向ビーム軌道をバケット番号の関数として示
４．議論
す。この領域で垂直方向の軌道変位を観測した。垂図3と図4に示したグラフはバンチが等間隔に並ん
直 方 向 変 位 は 、 先 頭 か ら 100 バ ケ ッ ト ま で にだ状態での測定である。これに対し、図5は、ほと60~100µm変化し、その後はほぼ一定となっている。
んど3バケット間隔であるが、一カ所4バケット間隔ビーム電流の縦方向線密度が高い程、垂直方向軌道に変わった場所がある。バンチ間隔が変わる前後で変位が大きい。一方、バンチトレイン先頭部で、電水平及び垂直軌道に50~60µmの変化が現れた。こ子雲によりベータトロンチューンが急激に変化する[5]の変化量がバンチ電流にほとんど依存しないことか現象が観測されている 。おそらくこの軌道変位もら、おそらく、この変化はビーム軌道の変化でなく、電子雲の生成と関係するであろう。電子雲が形成さモニターシステムに関係したエラーであると推定しれる過程で何らかの非対称な電子雲の分布が生じるている。実際、ボタン電極からのビーム信号は数ために起きたものと推測している。
GHzのリンギングを持ちながら長いテールを引いて0.2いる。したがって、ゲートによる測定は前のバンチ0.18
信 号の影 響を受 けるで あろう。 図1 に示し たモ ニ
0.16
ターシステムで、ゲートの前にカットオフ周波数0.141.5GHzを持つローパスフィルターを挿入したところ、0.12そのリンギングを小さくすることができた。その結果、バンチ間隔が変わるところでの見かけ上の軌道0.1変化も小さくなった。又、測定タイミングをバケッ
0.08
ト毎に移動しながら、ビーム強度を測定した。バン0.06
チありなしでの強度比は、3バケット間隔以上で約050
100 150 200 250 300
Bucket40dBであったが、その強度比はバケット間隔に依存
図４：クラブ空洞及び電子雲除去用ソレノイドをした。さらなるゲートのアイソレーション強化が必
切った状態で陽電子バンチの垂直方向軌道をバケッ
要であろう。
ト番号の関数として測定、赤が3バケット間隔、青LER_080313
3.40.3が4バケット間隔のバンチトレインで測定、共にバンチ電流は0.5mA。
3.350.25
3.3 個別バンチの振動測定
3.30.2ゲート制御法を使ったモニターはベータトロン
3.250.15チューンの常時測定に使われている。このゲート
チューンモニターで特定バンチをキックするために、
3.20.1スペクトルアナライザーのトラッキング(Tracking4700 4710 4720 4730 4740 4750 4760
Generator)出力信号を数ナノ秒のパルス幅でパルス
Bucket Number変調している。この励振信号を位置モニターのデー
図６：トレイン内のある領域での水平（赤）及び垂タ取得と同期させれば、個別バンチの振動をターン直（青）方向軌道、矢印はバケット間隔が３から４毎にモニターすることができるであろう。図5にトに変わった場所を示す。
レイン先頭バンチを水平方向に連続的にキックした時、その振動を２カ所の位置モニターで観測した例
参考文献を示す。このように通常の衝突状態でバンチ振動が[1] K. Akai et al., “Commissioning of KEKB”, Nucl. Instrum.
観測できることは、ダイナミック効果によるオプ
Methods Phys. Res., Sect. A 499, p.191 (2003).
ティクス変化に対応したビーム診断が可能になるで[2] K. Oide et al., “Compensation of the crossing angle withあろう。
crab cavities at KEKB”, Proc. of PAC07, Albuquerque,
Center: (2.82, -1.12)
USA, p.27 (2007).
-0.4[3] K. Akai et al., “Bunch-by-bunch phase measurement”, Proc.
of PAC01, Chicago, USA, p.2432 (2001).
[4] T. Ieiri and T. Kawamoto, “A four-dimensional beamposition monitor”, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect.
A 440, p.330 (2000).
[5] T. Ieiri et al., “Measurements of wake effects due toelectron cloud at KEKB”, Proc. of ECLOUD’07, Daegu,
Korea,152(2007),
http://chep.knu.ac.kr/ecloud07/upload/ECloud07_Proc_v2.
pdf.

-0.6
-0.8
-1
-1.2
-1.4
-1.6
-1.8
2.2 2.4 2.6 2.83
3.2 3.4
Horizontal Position at Monitor1 (mm)

図５：あるバンチを連続的に水平方向にキックした時、およそ90 離れた２カ所の位置モニターを使ってその振動を表示。
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