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

あいちシンクロトロン光センターにおけるエミッタンス測定
MEASUREMENT OF BEAM EMITTANCEIN AICHI SYNCHROTRON RADIATION CENTER STORAGE RING
Ryo Kawakami #,A), Atsushi Mano B), Masahito Hosaka B), Naoto YamamotoB)
Masahiro Kato C), Yoshifumi Takashima A,B), Takumi Takano B)
A)
Graduate School of Engineering Nagoya UniversityB)
Nagoya University Synchrotron Radiation Research CenterC)UVSOR Facility, Institute for Molecular ScienceAbstract
We have constructed a diagnostic beamline in the Aichi synchrotron radiation center (Aichi SR) storage ring formeasurement of electron beam property. Visible synchrotron radiation is extracted from a bending magnet andtransported to an optical lab. We observed a beam image using a CCD camera and deduced horizontal beam size. For
the vertical direction we designed an interferometer using the double slit in order to obtain a sufficient resolution.
In order to reduce the beam vertical dispersion, we designed skew quadrupole magnets and introduce to the storage
ring. .Apparent reduction of the vertical dispersion was observed.

1.

はじめに

2.

可視光取り出しビームラインの構築

図１はあいちＳＲの蓄積リング構成図である。あ電子蓄積リングにおいて、ビームエミッタンスの測定は最も重要な診断要素の一つである。ビーム いち SR の蓄積リングはビームエネルギー1.2GeV 周[1]エミッタンスを測定するために最も簡便な方法は、 長72m である 。取り出す可視光は図中の赤丸で示
可視放射光のイメージングを用いたビームプロファ した常伝導偏向電磁石からの放射光を利用する。
イルモニターである。
愛知県瀬戸市にナノレベルの先端計測分析施設としてあいちシンクロトロン光センター（あいちＳＲ）が建設され、2013年3月より稼働を始めている [1] 。
本研究では、エミッタンス測定のための第一段階として、あいち SR の電子蓄積リングにおいて、ビーム診断用可視光取り出しビームラインを設計・建設し、放射光を CCD カメラに取り込むことで、水平方向、垂直方向についてそれぞれビームサイズを測定した。垂直方向については、ビームサイズが小さいため、CCD カメラから取り込んだ画像イメージを解析することでは十分な分解能が得られない。そこで、ダブルスリットを用いた干渉系 [2]を構築した。ダブルスリットによって作られる干渉縞から干渉度を測Figure 1:Storage ring in Aichi SR.
定し、そこからビームエミッタンスを得る事が出来 また放射光縦方向発散角は以下の式で表される。
た。
また加速器性能向上のため、鉛直方向分散関数の補正や垂直方向のビームエミッタンス極小化、蓄 測定波長を500nm とし、偏向電磁石の曲率半径が積リング建設時の設置誤差や磁場誤差などによるビ 2.7m であることから、縦方向発散角は2.3mrad となームの傾きを補正する必要がある。本稿ではスキュ る。したがって、ビームプロファイルモニターが十ー電磁石の設計を行い、実際に蓄積リングに設置し、 分に放射光を受けるには取り込み角は±2σ 必要なy
鉛直方向分散関数の補正を行った結果についても報 ので若干の余裕を持たせ、±5mrad 取り込んでいる。
告する。
またこの取り込み角に合わせ、以下に記述する金コート銅ミラーやアルミミラーのサイズは放射光を十分に受けることのできるサイズを選択した。図２に構築した可視光取り出しビームラインの概略図を示す。
___________________________________________#kawakami.ryo@h.mbox.nagoya-u.ac.jp- 693 -

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Figure 3:Calibration result(horizontal).
Figure 2: Schematic drawing of a diagnostic beamline formeasument of electron beam property.
超高真空に保たれた取り出しポート内の金コート銅ミラーにより放射光は鉛直方向に跳ね上げられ、合成石英窓を通って大気中に取り出される。大気中に取り出された放射光はアルミミラーにより遮蔽壁外に取り出される。
遮蔽壁外に取り出された放射光は暗室内に設置された光学架台上のレンズやフィルター等を通り、ＣＣＤカメラに取り込まれる。

3.

3.2 水平方向ビームサイズ測定
ＣＣＤカメラから取り込んだ放射光画像イメージを解析することで水平方向ビームサイズを求める事が出来た。解析方法としてはビームイメージを縦方向にプロジェクションし、強度分布グラフを作成する。それをガウスフィットすることでビームサイズを求める事が出来る。またビームイメージはある角度を持って傾いている。この傾きに関しては後の４章で記述する。

ビームサイズの測定

3.1 ＣＣＤカメラのピクセルサイズ較正
２章で述べた可視光取り出しビームラインを用いて実際にビームサイズ測定を行うに当たり、ＣＣＤカメラ上で観測するビームイメージの1ピクセルが偏向電磁石中の発光点で実際にどれくらいの長さであるかを較正する必要がある。蓄積リング中に設置されているステアリング電磁石を用い、蓄積ビームを鉛直方向または水平方向に振り、その時のビームイメージをＣＣＤカメラから取り込む。また発光点前後に設置されているビーム位置モニター（以下BPM）によりビーム位置を観測、発光点での実際のビームの移動量を計算し、ＣＣＤカメラ上での移動量と比較していくことでピクセルサイズの較正を行った。図3に水平方向の較正実験の結果を示す。グラフの横軸は発光点の前後に設置されている BPMから計算した発光点でのビーム位置、縦軸がＣＣＤ
カメラに取り込んだビームイメージから解析したビーム位置である。このグラフの傾きから発光点での1ピクセルの長さを求める事が出来る。
較正の結果、水平方向では5.22µm/pixel、垂直方向では5.18µm/pixel となった。

Figure 4:Horizontal beamsize as a function of beam
current.
図4に測定された水平方向ビームサイズの蓄積電流値依存性を示す。この時、光学系の振動によりビームイメージが大きく揺れてしまい、実際のビームイメージより大きく見えてしまうことを避けるため、
CCD カメラの露光時間はビームイメージの振動の周波数約39Hz より十分小さい0.1msec としている。
グラフに示されているように0mA から70mA にかけてビームサイズが大きくなっている。これは電子ビームの縦方向の結合型不安定性の影響であると考えられる。実際その傾向はビームのスペクトル測定結果とよく一致している。
3.3 ダブルスリットを用いた垂直方向ビームサイズ
測定
垂直方向に関しては水平方向に比べて非常にビームサイズが小さく、3.2で述べた方法では十分な分解能が得られないことが予想される。そこでダブルスリットを用いた ビームサイズ測定を行った [2]。ダ- 694 -Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

ブルスリットとは取り出してきた放射光を二つのスリットを通し、レンズで集光することで干渉縞を作るものである。CCD カメラ上で観測される干渉縞の強度分布理論式[2]は以下のようになる。

2DI (y0 )  1  cos(y )R 0ころではビームサイズによる干渉度の変化が小さくなるので、測定エラー（CCD ノイズ）がより強調されるからである。蓄積ビーム電流毎にダブルスリットを用いて測定した垂直方向ビームサイズの結果を図7に示す。

ここで、λは波長、D はダブルスリットのスリット間隔、R はダブルスリットから干渉縞までの距離を表している。この式におけるγが干渉度と呼ばれ、干渉縞のコントラストを表すパラメータである。光源の大きさが大きいほど干渉縞のコントラストは低下し、γは0に近づいていく。この干渉度γから以下の式 [2]を用いて光源の大きさを求める事が出来る。

y 

L 1 1ln( )D 2 

Figure 7:Vertical beamsize as a function of beam
ここで L は光源からダブルスリットまでの距離を表current.
している。測定方法としては、一枚目レンズの直前
この時用いたダブルスリットのスリット間隔はにダブルスリットを設置し、干渉縞を CCD カメラ
10mm であり、ＣＣＤカメラの露光時間は2msec で上に集光することで測定を行う。図5に実際にダブある。
ルスリットを用いて観測した干渉縞イメージを示す。

4. スキュー４極電磁石によるビームの傾き補正

Figure 5:Double slit interferogram image taken by aCCD camera.
ダブルスリットを用いてスリット間隔を変えながら測定した垂直方向ビームサイズの結果を図6に示す。

Figure 6:Vertical beamsize as a function of double slitseparation
この時、蓄積ビーム電流値は20mA であり、露光時間は2msec である。グラフからも分かるようにダブルスリットのスリット間隔が小さくなるほどエラーが大きくなっている。これは スリット間隔が小さくなるほど干渉度γが高くなり、干渉度γが高いと4.1 スキュー4極電磁石の設計
実際の蓄積リングでは建設時の設置誤差や磁場誤差などにより、鉛直方向のビームの広がりや傾きが生じてしまう。今回、これらを補正するためのスキュー電磁石の設計を行った。まず二次元電磁場計算
コード poisson を用いてシミュレーションを行った。
蓄積リング中に32台設置されている6極電磁石の上下磁極にコイルを巻くことでスキュー磁場を発生させる。シミュレーションの結果を図8に示す。

Figure 8:Design of a skew quadrupole magnet using asextupole magnet.
コイルの巻き数は20回巻、電流は20A の電源を使用している。図8からも分かるように6極電磁石の上下磁極にコイルを巻き、電流を流すことで、スキュー磁場が発生している。次に実際に蓄積リング中の6極電磁石にコイルを巻き、スキュー4極電磁石の導入を行った。巻いたコイルは太さ60mm、一周当た- 695 -

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り360mm 程度の大きさとなった。スキュー電磁石を導入するに当たり、設置場所を検討する必要がある。
より少ない数で効果を得るため、蓄積リング中でベータトロン関数β x,y が比較的大きい場所を選択した。
またスキュー4極電磁石用のコイルを巻きつける
Figure 11: Beam image measured by a CCD camera
際、電流を流した際の温度上昇も考慮する必要があ
after revision of vertical dispersion it with before
revision.
る。図9に実際に設置したスキュー4極電磁石用コイ
また測定した導入したスキュー四極電磁石の電流値
ルと、その上に取り付けた熱電対の写真を示す。
を変えることによる鉛直方向ビームサイズの変化を
図12に示す。グラフから分かるように、二つのスキュー4極電磁石を用いて、最大で約11%ビームサイズを小さくすることに成功した。

Figure 9:Skew quadrupole magnet using a sextupole
magnet and thermocouple.
熱電対は計三か所取り付けた。熱電対による温度測定の結果、コイルに20A の電流を流した時の最高温度は50度以下となり、コイルの発熱によるケーブル被覆の溶解や発火の危険性はないことを確認した。
4.2 スキュー4極電磁石による鉛直方向分散関数補正導入した三つのスキュー4極電磁石のコイル電流を変えながら鉛直方向分散関数の補正を試みた。図10にスキュー4極電磁石を用いた鉛直方向分散関数の補正結果を示す。スキュー４極電磁石に任意の電流を流した状態で RF 周波数を変え、BPM により軌道の変化を測定した。

Figure 12: Coil current dependence of verticalbeamsize.

5. まとめあいちシンクロトロン光センターの蓄積リングにおいて、可視放射光を用いたビームプロファイルモニターを構築した。構築したビームプロファイルモニ
ターを用いて、水平方向、鉛直方向のビームサイズを測定した。蓄積リングに設置されている6極電磁石にコイルを巻くことでスキュー4極電磁石を導入し、蓄積ビームの鉛直方向分散関数を補正することに成功した。また、今後は LOCO を用いた計算を行い、それをもとにスキュー4極電磁石によってvertical emittance を小さくすることを進める予定である。

参考文献

Figure 10:Revision result of vertical dispersion.
図の凡例における up,down はそれぞれ上下流に設置したスキュー四極電磁石を指す。その後の数字はコイルに流した電流値(A)である。図から分かるように、スキュー4極電磁石を導入することによって鉛直方向分散関数を小さくすることに成功した。また
図11に鉛直方向分散関数の補正前と補正後のビームイメージを示す。図から明らかにビームの傾きが改善されていることが分かる。

[1] Naoto Yamamoto, Masahito Hosaka, Kiyoshi Takami,
Takumi Takano, Atsushi Mano, Hiroyuki MORIMOTO,
Yoshifumi TAKASHIMA, and Masahiro Katoh. Beamcommissioning of central japan synchrotron radiation facility. 加速器, 9(4):223-228, 2012.
[2] T. Mitsuhashi , Proceedings DIPAC 2001 – ESRF, Grenoble,France[3] T.Naito and T.mitsuhashi, Proceedings of the 7th Annual
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6,2010, Himeji, Japan)- 696 -