X線フレネル回折を用いた超低エミッタンス次世代蓄積リングの	  微小光源サイズ測定法	

正木満博、高野史郎、高雄勝、下崎義人	  （公財）高輝度光科学研究センター	  JASRI/SPring-­‐8	

2014/8/9	

第１１回日本加速器学会年会 青森市	

アウトライン	• X線フレネル回折法（ＸＦＤ）の原理	  • ミクロンオーダー光源サイズ測定を想定したシミュレーション	  • SPring-­‐8蓄積リングでの実験	  • 到達可能分解能	  • ＸＦＤの有用性	  X線フレネル回折法（X-­‐ray	  Fresnel	  Diﬀractometry）	
Single	  Slit	  開口幅 A	

ダブルピーク状の回折パターン	  R	挿入光源	  

フレネル領域の回折パターン	  （R	  <	  A2/λ 比較的近距離）	  フラウンフォーファー領域	  回折パターン	  （R	  >>	  A2/λ	  	  十分遠方）	

フレネル回折像がダブルピークになる条件	
Single	  Slit	  開口幅 A	

ID光源点	  L	分光器	  波長選択 λ	観測位置	  蛍光板	  R	フラックス分布	

Parabolic	  Phase	

点像強度関数(PSF)	  →	  	  スリット幅よりも広い放射フラックスを持った球面波を仮定	  ダブルピーク状の回折像が出現するスリット幅	→ 光が中央で弱め合う条件から導かれる	ミクロンオーダーの光源サイズ測定を想定した計算例	
分光器	  Si(111)	  	  	  ・X線エネルギー	  スリット開口	  放射光ビームライン	

A=52µm	40	  keV	  	  挿入光源	  (ID)	  L=25 m	
1

11 µm

40	  keV	v p

1

R=25 m	peak-to-valley ratio I /I

Normalized Intensity

1.2

0.8
0.6

5 µm

0.4

3 µm

0.2
0-0.069 µm

7 µm

0 µm (PSF)-0.04-0.02

0y (mm)0.02

観測位置	  	  	  ・蛍光板	  	  	  ・CCDカメラ	  0.04

M.	  Masaki	  et.al.,	  submi?ed	  to	  PRST-­‐AB	

0.06

0.9
0.80.7感度曲線	

0.640keV

0.516keV

0.47.2keV

0.305101520253035

r.m.s. Beam Size (µm)

ピーク／ボトム強度比と光源サイズとの関係	

SPring-­‐8	  蓄積リングでの実験	
加速器ビーム診断ライン（ＢＬ０５ＳＳ）	
65.4	  m	26.8	  m	分光器 Si(111)	

ID:	  	  λu=76mm	  	  Nu=51	

P43蛍光板	  1/2縮小光学系	  CCDカメラ	  	  	  露光時間	  1ms	  スリット	  ID	  ： 	  K=0.46,	  	  	  7.167	  keV@1次光	  スリット 開口：ΔX=0.2mm,	  	  	  ΔY=0.15mm	  →観測された回折像中央のくぼみが最も深くなるように調整	  ΔY=0.15	  mmは、式で計算した幅と矛盾しない。	  SPring-­‐8蓄積リングでの実験（続）	
異なる垂直エミッタンスを持つ電子ビームを蓄積して回折像を観測	  ・運転動作点を変える（水平方向ベータトロンチューンを動かす）	  ・エミッタンス結合補正用スキュー４極電磁石のon/oﬀ	
M.	  Masaki	  et.al.,	  submi?ed	  to	  PRST-­‐AB	(a) !x = 41.133, skew-Q magnets on 
1.2

Vertical line-projected profiles(b) !x = 41.137, skew-Q magnets off (c) !x = 41.361, skew-Q magnets off Normalized Intensity(d)10.6(c)
(b)

0.4

(a)

0.2(d) !x = 41.357, skew-Q magnets off σy,e	  (r.m.s.)	  	  (a)	  8.1	  µm	  	  (b)	  11.7	  µm	  	  (c)	  14.5	  µm	  	  (d)	  17.7	  µm	  	0.8

0-0.3

-0.2

-0.1

00.1

0.2

0.3

y (mm)

フィッティング関数	
回折パターンの構造：	  垂直方向： クリアに観測	  水平方向： エミッタンス大	  →	  スミア	
イメージングシステム分解能 σres	  =	  6.8	  µm	  (r.m.s.)	

SPring-­‐8蓄積リングでの実験（続）	
X線フレネル回折法と同時に、２箇所の偏向電磁石光源で垂直ビームサイズを測定	  by ２次元放射光干渉計（2D-­‐interferometer）と	  X線ビームイメージャー（XBI)	  XFD,	  	  2D-­‐interferometer,	  	  XBI	  の３つで	  測定した垂直ビームサイズの相関	

Iv/Ip	  measured	  by	  XFD	100.8590.88 Global	  Emi\ance	  1/2(µm/m )

0.75
0.7

6y5y0.60.55

7Coupling	  Model	

1/20.65! /"v

peak-to-valley ratio I /Ip

0.9

34! /"

y y

51/2

6789

101/2

(µm/m ) @2D-interferometer

VerUcal	  Beam	  Size	  measured	  	  by	  the	  2D-­‐interferometer	M.	  Masaki	  et.al.,	  submi?ed	  to	  PRST-­‐AB	4

V. size@XFD
V. size@XBI

3223! /"
y41/2y561/2789(µm/m ) @2D-interferometer10２次元測定を想定した例（計算）	
X線エネルギー7.2	  keV,

L=26.8	  m,	  	  R=65.4	  m	スリット開口： 正方形 	  	  	   水平方向 ΔX	  =	  0.15 mm	  	  	  	  	  垂直方向 ΔY	  =	  0.15 mm	  	  点像強度関数（PSF） 	

σx	  =	  20	  µm, σy	  =	  10	  µm	  convoluted	

XFDの到達可能分解能	
スリットを光源点から数メートルの距離まで近づけると分解能が向上	  以下の条件で、X線フレネル回折法(XFD)	  と	  X線ピンホールカメラ(XPC)を比較	  光源からスリット（ピンホール）	  スリット（ピンホール）から観測位置
X線エネルギー	   	  	  	  	  	  スリット幅	  22	  µm	  1	  µm	  (r.m.s.)	  のビームサイズでも測定可能 		  3	  m	  	  9	  m 	  	  40	  keV	  スリット幅	  13	  µm	  M.	  Masaki	  et.al.,	  submi?ed	  to	  PRST-­‐AB	XFD	  の 有用性	
放射光ビームラインごとの光源サイズ測定	  ・ビームラインごとに光源点でのビームサイズが異なる可能性	  局所ベータ関数歪み、垂直ディスパージョン、局所エミッタンス結合が要因。	  
強い４極、６極電磁石を使う次世代光源リングほど、ラティス関数の局所歪み	  の影響は大きいと思われる。	  
・輝度性能を重視するビームラインでは、その場所での光源サイズを測定する	  ことが必要	  各ビームラインで簡便に測定が可能	  ・必要な機器	  挿入光源、 ４象限スリット、 分光器 （通常ビームラインで標準装備）	  蛍光板、レンズ、CCDカメラ	  将来光源への適用	  ・条件によっては、１ µm	  (r.m.s.)	  程度のビームサイズ測定が可能	  ・次世代超低エミッタンス蓄積リングのエミッタンス診断に有用 	  まとめ	（１）ID光源点におけるミクロンオーダーの光源サイズ測定のために、	  	  X線フレネル回折 を用いた手法（ＸＦＤ）を開発した。	  
（２）SPring-­‐8での測定により、光源サイズの変化に対して感度を有し、	  10	  µm(r.m.s.)以下の光源サイズ測定が可能なことを実験的に示した。	  
（３）ＸＦＤは、回折限界光源のような次世代光源リングの輝度性能最大化の	  ためのエミッタンス診断法として期待できる。	

Back	  Up	

PSF計算に用いるスリットでの垂直フラックス分布	

垂直スリット全開で実測した	  垂直フラックス分布を用いる。	  
・水平エミッタンスによる	  oﬀ-­‐axis	  radiaWon	  の寄与	  ・エネルギー広がりによる	  oﬀ-­‐resonant	  radiaWonの寄与	  これらを実効的に含んでいる。	

M.	  Masaki	  et.al.,	  submi?ed	  to	  PRST-­‐AB	

実測した垂直フラックス分布を用いたＰＳＦ計算の妥当性	
１）実測の垂直フラックス分布を用いた１次元計算（赤線）	  ２）水平エミッタンスとエネルギー広がりを畳み込んだ計算（緑丸）	  → oﬀ-­‐axis	  radiaWon,	  	  	  oﬀ-­‐resonant	  radiaWonからの寄与を積分	  両者に本質的な差はない。	
1.2
1normalized intensity

εx=2.4nm.rad,	  	  σE/E=0.109% convoluted	

PSF using Is based on exp. data
PSF folding !x and "E/E

X=0での垂直断面	

0.8
0.6
0.4
0.2
0-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2y(mm)

M.	  Masaki	  et.al.,	  submi?ed	  to	  PRST-­‐AB	

0.3

２次元ＰＳＦを水平エミッタンスとエネルギー広がりで	  畳み込んだ分布	  点像強度関数（PSF） の２次元イメージ	
X線エネルギー7.2	  keV,

L=26.8	  m,	  	  R=65.4	  m	矩形スリット幅： 	  	  	  	  	  垂直方向 ΔY	  =	  0.15 mm	  水平方向 ΔXが異なる3パターン	
ΔX=0.09	  mm	  	  ΔX=0.15	  mm	  ΔX=0.2	  mm	  垂直ビームサイズ測定のみ	

２次元測定用	

垂直ビームサイズ測定のみ	  光量小	

光量大