SPring-8蓄積リングにおける入射時蓄積ビーム水平振動の抑制-Suppression of Stored Beam Oscillation
at Injection in the SPring-8 Storage Ring満田史織, 小林和生, 早乙女光一, 中西辰郎,深見健司, 正木満博, 大熊春夫, 佐々木茂樹

JASRI/SPring-8 ,（公財）高輝度光科学研究センター
2014/8/11

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1Motivation• 高輝度放射光を目指すためには、ビームエミッタンスの低減及びバンチ電流の増強が必要– ビームエミッタンスの低減：タウシェック効果によるビーム寿命が短くなる– 大電流バンチ蓄積：電流依存のビーム不安定性誘起• ビーム寿命向上のためには入射頻度を向上させたTopUp運転が必要 しかしながら入射時水平振動があると– 定期入射運転に比べ蓄積ビーム振動の顕在化– 蓄積大電流シングルバンチのビーム不安定性誘起• 入射時蓄積ビーム水平振動の抑制が必要
2014/8/11

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2Top-Up operation in SPring-8
interval prior mode

0.1mA frac.

40mA frac.

Stored Current [mA]

99.54
99.52
99.50
99.48
99.46
99.44
99.42
99.40

Before Top-up operation: ~10hr

6:10

6:08

6:06

•ユーザー実験は入射及び電流値変化による中断を受けない• 電流値依存のないビーム診断が可能• ビーム電流値安定化により周辺機器のヒートロードの静的化とX線ビーム光学系の温度平衡状態が生まれ、放射光のより安定化が生まれる

99.52
99.50
99.48
99.46
99.44
99.42

0.04mA frac.

99.40

6:10

6:08

6:06

6:04

6:02

99.38

11/9/07
6:00

6:04

After Top-up operation: “Interval priority” 1min~5mincurrent prior mode

99.54

Stored Current [mA]

6:02

10/6/076:00

99.38

2007~ :”Current priority” 20s~1min2014/8/11

定期入射運転に比べ蓄積ビーム振動の顕在化
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3Beam injection scheme
BRLiSR
Rev. time
4.7µs

1GeVLi~BRからの8GeV電子ビーム入射バンプ4台を16.5m直線部に配置
バンプ軌道14mmを生成
ダイナミックアパーチャー10mm

Normal cell 1

2014/8/11

Normal cell 48

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4Problems up to 2004
MagnetKick angl.
(mrad)

HV(kV)

Current (A)BP1-2.4

16.3

4316.2

BP2-0.8

9.6

3999.3BP3-0.6

7.7

3300.2

BP4-2.4

15.4

4267.34台のバンプ磁場波形の非相似性

バンプ非励磁バンプピーク位置ではバンプ軌道が閉止バンプ間にあるラティス6極の非線形性
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5Residual oscillation and bump shape
改善されたバンプ波形と依然として残る水平振動相似性は確保されていると見えるが…….
2014/8/11

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6Residual oscillation and bump field shape
改善されたバンプ波形と依然として残る水平振動相似性は確保されていると見えるが…….
2014/8/11

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7

Feed-forward scheme依然として残る水平振動の抱える課題• 放射光安定供給 積分型ユーザーのため早い段階での振動の抑制• 大電流バンチシングル+バンチトレインの高度なハイブリッドフィリングでの安定したTop-Up運転の実現
Hybrid filling<0.3mA bunch train
SRSingle >5mA

High current(ビーム不安定性大)ビーム寿命の確保のため安定したTop-Up入射が必要

しかしながら、ここに大きな入射時振動振幅が存在するとHigh+ Low current bunchの混在:ビーム不安定性の度合いの異なるものが混在
大振幅+大電流はBBF (Bunch-By-Bunch Feedback)でビーム不安定性の抑制が難しいフィリング

Feed-forward schemeによる早い段階での極めて低い振幅レベル(BBFで抑制が可能な)までの残留水平振動の抑制が必要である。
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8Fast counter kick correction
バンプ電磁石磁場波形の相似性を高めるためには限界がある• バンプ波形は2ターン以内で閉じていること• バンプ磁場出力波形の相似性を10ns以下の水準で揃えること

SPBPM
SY

そこで……

Single Beam Position Monitorで観測される振動形状に合わせてzero-cross位相にてカウンターキックを与え抑制する

SR

水平チューン:40.15
高速水平7ターン以内で抑制可補正キッカー（任意の極大水平β点に設置）

バンプ軌道漏洩より想定される
水平振動形状
0.8～1.6us
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9Fast kicker system
 SPring-8蓄積リングは90%以上の密度で装置群が配置されているためキッカーシステムを挿入に確保できる平均磁極長は0.3m以下である。
カウンターキッカーシステムに求められる三要件

1. 水平β関数最大点での設置自由度を有すること
2. 設置自由度を高めるため電源の小型性能を高めること
3. 高速性能と短磁極長での高出力を実現すること

 磁極長0.25m 上下空芯コイル1ターンをそれぞれのドライブ電源に接続
 電源はドライブ回路・出力回路のみ収納部内キッカー近傍0.8mに設置し電源負荷<1.0µH
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10Test setup in 2010
 電源筺体寸法 200(L)x120(W)x150(H) <0.005m3
 出力 800ns, 270A/coil (950V), 3.2mT, 33µrad@8GeV パルス幅可変、極性切り替え（振動幅及び位相）
 蹴り角、出力可変、高圧印加による（振動振幅）
Ceramic
 800ns振動幅の水平振動を振幅68%抑制
chamber

Optical trigger
from bumpVME
DG
Isolated controller& kickere- Beam

UPSHV

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11Apply to user operation in 2012 キッカー両翼に電源を格納するシールドボックスを設置
ビームRFノイズシールド
 放射線シールド(γ線) 予備電源も同時に格納
第1高速補正キッカー
L = 0.25m, @βx = 30m

0.8～1.6us

第2高速補正キッカー
L = 0.22m, @βx = 32m

400ns, 230A/coil
700ns, 383A/coil(1.95kV applied)

800ns, 270A/coil
1600ns, 540A/coil(1kV applied)
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12Monitor systems and kickers
 機器立ち上げ調整時：Single-Pass Beam Position Monitor 14台を使用 振動の抑制効果を100ns ステップにて観測が可能 (4096ターン分データー取得可) ユーザー運転時：BBF monitor、X線 TTPMなどを使用し、マルチフィリングでの振動の抑制効果をBunch-By-BunchまたはTurn-By-Turnにて観測が可能

バンプ出力トリガー100ns stepでシフトさせながら取得した振動分布
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13Phase advance and timing tuning キッカー位置は動かすことが出来ないためZero-Cross位相を周回数の整数倍にて探す

Most effective timing searchPhase advancesearch

入射時ターン振動抑制効率最大点は水平チューン値から7ターン以内に存在する
抑制効率が最大点となるところにて100ns stp.にて水平振動ピークとカウンターパルスピークを合わせこむ
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14Oscillation suppression
Primary kicker
Secondary kicker 水平方向振動抑制
第1補正キッカー：31µrad/500ns
第2補正キッカー：12µrad/1400ns
 振動抑制率
第1補正キッカー：90%
第2補正キッカー：50%
 平均振動 <0.15mmまで抑制

 垂直方向振動抑制
蓄積リング全周に渡り電磁石磁場誤差としてのスキュー成分が存在する場合、垂直振動への回り込みが見られる。
 水平振動抑制と同タイミングにて垂直振動の抑制効果あり
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15Bunch-By-Bunch, Turn-By-Turn convolution
 BBFモニターでは、Bunch-By-Bunch, Turn-By-Turnにて2000ターン分の振動データーを取得することが可能 203バンチフィリングにおけるバンチ毎の振動を128ターン分convoluteした結果

抑制効率
70%

リング一周に渡り蓄積された203バンチ(バンチ時間間隔23ns)各バンチナンバー
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16Turn-By-Turn Beam Profile Monitor
 電子ビームの水平振動の抑制が放射光軸振動の抑制効果として見れるかどうか

 2012年より整備されたTTPMはアンジュレーター光からの単色X線ビームプロファイルを観測することが可能
 入射時ビーム振動
 ビーム不安定性によるエネ
ルギー広がり+横方向広がり早い過渡現象を観測することが可能
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17Horizontal light axis oscillation
 TTPMのG.W.を入射時水平振動最大点に固定し、光軸振動のTurn-By-Turn解析
 30µrad以上の振動角から4µrad以下まで減衰させるのにキッカーなしでは80ターンまでかかるところ3ターン目にて減衰。減衰率>87%を達成
 ダンピングタイムがキッカーがある場合、ない場合に比べて30%の改善 BBFを補完
200ns TTPM G.W.

Oscillation phase changing
500ns P.W.
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18Changing reduction efficiency
 Feed-forwardスキームでは、振動抑制ターゲットが定常的であることが前提。それにより抑制効果が持続していることが重要。

抑制効率
±10%

Relative light axis
Oscillation amplitude

 振動抑制効果が、恒常的であるかどうか、ユーザー運転中での観測が可能なTTPMを使い光軸振動の抑制効果として評価

Amplitude w/o kicker > 500±1.5℃

Initial suppression level at oscillation peak

電源室室温の昼夜変動と連動し振動抑制効果が変動、振幅幅も増加している
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19D/N drift of bump output timing
 バンプ電流出力タイミングがサイラトロンに起因するShot-by-Shotのjitter 5nsよりも大きい70nsの昼夜変動があり
 この変動時にバンプ同志の相対的なタイミングが変化し、水平振動形状を変化
室温昼夜変動ΔT=3℃に対してタイミング変動は70ns 23.3ns/℃

BP1~BP4間のタイミング変動としては5ns→7ns
5ns70ns

ΔT=3℃

7nsに拡大同時に平均室温の変化による季節変動（径日変化）による変動も見える
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20

To keep reduction efficiency
 室温の昼夜変動に起因する出力タイミングの変動
23ns/℃ 出力タイミングの昼夜変動に起因するバンプ間相対的なタイミングが変動 相対的な変動が径日変化し徐々に広がる方向
1台のバンプ励磁タイミングをずらし、実際に振動抑制対象である光軸振動形状（分布）が変化するか定量的に評価バンプ1台の<10nsのタイミングシフト→10%以内の振動抑制率の変動
バンプ1台の>10nsのタイミングシフト→振動抑制率が80%以上失われる

TTPMではG.W.を200nsステップにて入射時振動点前後をシフトさせ光軸振動形状（分布）を調べることが可能

抑制効率
80%

ジッター(5ns)及びΔT=3℃の昼夜変動による出力タイミング変動(5ns)では抑制効率を10%変動で維持
季節変動を考慮したドリフトでは、より大きなシフトが生じ、抑制率が徐々に失われる
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21Summary 高速補正キッカーシステムの役割
光軸が安定した放射光の供給
大電流バンチフィリングにおけるビーム不安定性の抑制
 Feed-forward schemeによる高速補正
早い段階での振動の抑制を可能
BBFでは難しい大振動のダンピングタイムの改善
 将来
光積分型ユーザーにとってメリット
低エミッタンスでの光軸振動の顕在化時に重要 振動の抑制率は~90%。振動抑制効果は10%以内の抑制幅で維持が可能。
 ただし、Feed-forward schemeによる課題として、電源室の室温変動に連動しターゲットとなる振動の変動が起きている。これはバンプ電流出力タイミングのドリフトがバンプ軌道の閉止具合の変化へと結びつき生じている。
 現在、抑制効率を維持するため電源室室温の±0.5℃以内での安定化を進めている。
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