Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 FROL01

ATF2 ビームラインでの微小ビームサイズの達成
ACHIEVEMENT OF SMALL BEAM SIZE AT ATF2 BEAMLINE奥木敏行#, A) B),
ATF 国際コラボレーション
Toshiyuki Okugi#, A) B), ATF International CollaborationA)
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)B)
Graduate University for Advanced Studies (SOKENDAI)

Abstract
We confirmed the vertical beam size smaller than 44 nm with low intensity by June 2014 in ATF2 of KEK-ATF(KEK Accelerator Test Facility). A small emittance beam, which satisfies the requirement of ILC (International LinearCollider) emittance, is generated in KEK-ATF damping ring. ATF2 project has been performed by utilizing the smallemittance beam of KEK-ATF. The purpose of the ATF2 project is to develop and establish a new final focus method,
called "Local Chromaticity Correction", which will be used at ILC. The beam optics of ATF2 is designed to be basedon the same method as ILC, with the equivalent beam energy spread (about 0.1%) and natural chromaticity (about10000), tolerances of magnetic field errors are also equivalent to the ILC final focus system. In this presentation, wewill present the beam tuning procedures of ATF2 beamline and the recent ATF2 status.

1.

はじめにInternational Liner Collider (ILC) [1]は，高い重心系エネルギーを目指した電子陽電子衝突型加速器で，電子ビームと陽電子ビームを直線的に加速して，衝突点で 2 つのビームを衝突させる。周回毎に衝突の機会がある円形衝突器とは違い，ILC では電子ビームや陽電子ビームに与えられる衝突のチャンスは 1度だけしかない。そのため，ILC で高いルミノシティを実現するためには，衝突点でビームをできる限り小さく絞ることが大切になる。
一般に，衝突点でビームを小さく絞るために重要なことは 2 つある。1 つ目はビームのエミッタンスを小さくすることである。そして， 2 つ目に重要なことは，収差の少ないレンズ系を使って，衝突点でビームを絞り込むことである。ILC のレイアウトを
図 1 に示す。ILC では，ダンピングリングと呼ばれる円形加速器を使って，小さいエミッタンスのビームを作る。その小さなエミッタンスのビームを加速して，衝突点直前におかれた最終収束ビーム光学系でビームを絞り込み，ビーム同士を衝突させる。
KEK にある加速器試験施設 ATF[2] では，ILC の衝突点でビームを絞るために必要な技術開発をおこなっている。ATF のレイアウトを図 2 に示す。ATFには ILC 同様にダンピングリングがあり，電子ビームのエミッタンスはダンピングリングを使って小さくしている。ATF ダンピングリングは ILC の前身である JLC 計画[3] に必要とされるビームエミッタンスを実証するために 1997 年から運転を開始した。
そして，現在 ATF は JLC や ILC で要求されるエミッタンスと同等の値まで小さなエミッタンスで運___________________________________________# toshiyuki.okugi@kek.jpFigure 1: ILC layout.

Figure 2: ATF layout.

転している[2]。更に，ATF には ILC の最終収束光学系の研究のための ATF2 ビームライン[4]がある。

2.

ATF2 ビームライン

2.1

ATF2 ビームラインの概要

リニアコライダーの最終収束光学系を試験する施設としては， SLAC の Final Focus Test Beam (FFTB)という施設が 1990 年代にあった。FFTB では Global
Chromaticity Correction という収差補正方法の最終収束光学系でビーム収束試験をおこない，電子ビームを70 nm 程度まで絞り込むことに成功した[5]。そして，現在の ILC のデザインでは，当時とは違う- 156 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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PASJ2015 FROL01て，設計，製造および建設が分担された。そして，
ILC 最終収束系の技術開発に興味を持つ世界中の研究者が参加できる枠組みを整備した。世界各国の研究機関との協力のもと，ATF2 ビームラインは建設され，2009 年に運転を開始した。ビーム運転に関しても，ビームラインの建設と同様，世界各国の研究者が参加している。
Table 1: IP Parameters of ILC, FFTB and ATF2
ILC-500GeV

FFTB

Chromaticity

Local

GlobalLocal

Correction

Correction

Correction

Correction

Beam Energy

250 GeV46.6 GeV

1.3 GeV

L*

4.1 m

0.4 m

1.0 m

∗

0.48 mm0.10 mm0.10 mm0.07 pm

20 pm

12 pm

5.9 nm

45 nm

37 nm

Figure 3: Beam optics of ILC and ATF2. They are based on“Local Chromaticity Correction Scheme”.

∗ATF2

2.2 ATF2 ビームラインのビーム光学系
Local Chromaticity Correction の原理に基づいた最終
ATF2 では実験当初は，ビームライン上の四極電収 束 光 学 系 の 使 用 を 考 え て い る [6] 。 Local 磁石がつくる水平・垂直双方でのクロマティシティ
Chromaticity Correction 方式の最終収束光学系は，か が ILC と同等になる1 1 optics と呼んでいるビー
つ て ， FFTB で 試 験 さ れ た Global Chromaticity ム光学系を使って，仮想衝突点でのビームサイズ調Correction 方式の最終収束光学系に比べ，全長が約 整をおこなっていた。しかし，ビーム調整のシミュ1/3と短く，エネルギーアクセプタンスが広くとれ， レ ー シ ョ ン 等 を 使 っ た 詳 細 な 検 討 し て み る と ，かつ，ビームハローが大きく広がらないという特徴 ATF2 のエネルギーが ILC と比べて極端に小さいたがある。しかし，Local Chromaticity Correction 方式 め1 1 optics ではビームライン上の四極電磁石をの最終収束光学系は，このように多くの利点がある 通過するビームサイズが ILC よりも極端に大きくなが，ビーム調整が Global Chromaticity Correction 方式 り，それに伴い Geometric Aberration の影響も ILCに比べて複雑なことや，何よりも実験的に原理証明 よりも極端に大きくなってしまう。その為、1がされていないという問題もあった。そこで，2004 1 opticsでは，電磁石に求められる多重極磁場誤差の年 11 月の LCWS2004 で，ILC よりも 2 桁以上低い 許容値が ILC よりも極端に厳しくなることがわかっ
エネルギーでも，ATF が作り出す低エミッタンス てきた。その為，現在では仮想衝突点で垂直方向ビームを使うことで ILC の最終収束光学系の原理証 ビームサイズを絞る際に必要な多重極磁場誤差の許明が可能であるという提案をした。この ATF のビームを使った ILC の最終収束光学系の試験施設をつくる計画を ATF2 プロジェクト，ATF に新設された最終収束光学ビームラインは ATF2 ビームラインと命名された[4]。
ATF2 ビームラインは ILC の最終収束光学系の原理 証 明 を 第 一 の 目 的 と し て い る の で ， Local
Chromaticity Correction 方式のビーム光学系を採用している。また，電磁石の配置や名前も ILC の最終収束光学系と同じである（図 3）。更に，色収差の強さも ILC と同程度になるように設計されている。ただし，ILC のビームエネルギー250GeV に対して，
ATF2 は 1.3GeV と低いので，絞れるビームサイズは，ILC 焦点の5.9 nm に対して，ATF2 仮想焦点では
Figure 4: The tolerances of sextupole field errors for ILC and37 nm となっている。表 1 に ILC と ATF2、FFTB のATF2 quadrupole magnets. 1 1 optics and 10 1 optics
パラメータを比較した。
are plotted for ATF2. The horizontal lines show the errors of
ATF2 プロジェクトは，アジア，ヨーロッパ，ア
ATF2 magnets. (a) Normal component (b) Skew component.
メリカの 3 地域が同程度の貢献をすることを目指し- 157 -

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PASJ2015 FROL01て小さいときには，干渉縞の位置に応じて生成される γ 線の発生量が変化する（以下，モジュレーションが生じると記す）。一方，電子ビームのビームサイズが干渉縞よりも大きいときには，干渉縞の位置を変えても発生する γ 線数にモジュレーションは生じない。このように，干渉縞の位置を変えたときのγ 線数のモジュレーションの大きさから，ビームサイズを評価することが出来る。測定されたモジュレーションとビームサイズの関係は，
σFigure 5: The tolerances of multipole field errors for ILC andATF2 final doublets. 1 1 optics and 10 1 optics areplotted for ATF2. The horizontal lines show the errors of ATF2magnets. (a) Normal component (b) Skew component.

容値が ILC と同等になるように仮想衝突点での水平方 向 ベ ー タ 関 数 が 実 験 開 始 当 初 の 10 倍 の 10
1 opticsを使ってビームサイズ調整を進めている。図4 に、ILC，および，ATF2 ビームラインの各四強電磁石の六極磁場誤差の許容値を示した。また，図 5には、ILC，および，ATF2 ビームラインの最終収束電磁石の多重極磁場誤差の許容値を示した。ILC とATF2 10 1 opticsでは誤差の許容値が同等になっていることが分かると思う。

3.

ATF2 仮想衝突点でのビーム収束

3.1

ビームサイズモニター(IP-BSM)

ln||,(1)と表せる。ここで, はレーザー干渉縞のピッチ，はレーザーの交差角となる。
ATF2 では，レーザーの波長を FFTB で使われていた1064 nm から532 nm に変更することで，小さなビームサイでの感度を高くなるようにしている[8]。
ATF2 の IP-BSM は，レーザー光の交差角を最大にしたとき(174 度)，25-90 nm の範囲のビームサイズの測定が出来る。また，2-8 度，30 度とさらに 2 つの小交差角モードを用意することで 25 nm から6 μmまでの広い測定範囲を実現している（図 7）。

ATF2 では電子ビームを仮想焦点で 37 nm まで絞ろうと考えている。しかし，ビームを小さく絞っても，それを測定できるビームサイズモニターがないと，実際にビームを小さく絞れたことを証明することができない。そのため，ATF2 では，ビームサイズモニター自体も非常に重要である。ATF2 仮想衝突点には，FFTB で使われていたビームサイズモニター
IP-BSM（通称，新竹モニター）[7]を譲り受け使用している。ATF2 での IP-BSM の開発および改良は，東大と KEK とで共同で担当している。ATF2 で使用している IP-BSM の写真を図 6 に示した。
IP-BSM は，レーザー干渉縞を利用したビームサイズモニターで，１台のレーザーから出射された光を 2 つに分け，仮想衝突点で交差させることで，仮想衝突点にレーザー光の干渉縞を作ることができる。
この干渉縞に電子ビームが通過するとき，電子ビームとレーザーとのコンプトン散乱により γ 線が生成される。電子ビームのビームサイズが干渉縞に比べ- 158 -

Figure 6: IP-BSM at ATF2 virtual interaction point.

Figure 7: Dynamic range of IP-BSM for FFTB and ATF2.

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いとの仮定のもと，式(1)でC 1としてビームサイズを算出した上限としての数値である。つまり，
ATF2 の仮想衝突点では，垂直方向ビームサイズを44 nm以下まで絞れたことが実証された。
また，仮想衝突点でビームサイズを繰り返し，比較的短時間の調整で小さく絞ることが出来るようになったことも，これまでの重要な成果の一つである[13]。図9にビームサイズ調整の様子を示す。上図は3週間の運転休止後，下図は3日間の休止後のビームサイズの推移を示している。各点は調整を通してIPBSMで測定されたビームサイズ1点ずつを表している。

Figure 8: History of the vertical beam size at ATF2.

3.3

ビーム強度依存性

ATF2の仮想衝突点では，目標値に近いビームサイズを確認できているが，ビーム強度を上げたときビームサイズが大きくなってしまっている。これまで測定されたビームサイズのビーム強度依存性を図10に，フィッティング結果を表2に示す。図10から
バンチ辺りの粒子数が増えると，ビームサイズが増加(IP-BSMで測定されるモジュレーションが低下)していく様子が見て取れると思う。
Table 2: Fitting Results for the Intensity Dependences
Intensity
Dependence

Figure 9: Example of the beam size trend in the ATF2 IP
beam size tuning (2014 April). Upper figure shows thebeam size trend after 3-weeks shutdown. Lower figure
shows the beam size trend after 3-days shutdown.

3.2

Beam Sizeat Zero-Intensity

2014/06/13

9.7 nm/1e942 nm (M=0.609)

2015/06/20

17.1 nm/1e946 nm (M=0.550)

ATF2 でのビーム調整の経過

ATF2 ビームラインのすべての四極電磁石および六極電磁石は，電磁石ムーバーの上に設置されている。仮想衝突点でのビームサイズ測定は，電磁石ムーバーで六極電磁石の位置を変えることで，線形光学系の調整をおこない，2 次の非線形光学系の調整は，六極電磁石，スキュー六極電磁石の強さを変えることでおこなっている[9]。2012 年 12 月の運転
で KEKB から借りた合計 4 台のスキュー六極電磁石を使うことで，衝突点でビームを約 70nm まで絞ることができた[10]。また，強いスキュー六極磁場が必要だったのは，1 台の六極電磁石のコイルの短絡が原因であることがわかった[11]。異常が判明した
六極電磁石の交換した後は，強いスキュー六極電磁石磁場を使わないで仮想衝突点でビームを絞ることが可能になった。
図8にATF2の仮想衝突点で測定された最小ビームサイズの履歴を示す。ATF2では現在44 nmまでビームサイズを絞れている[12]。ただし，現在のところ
IP-BSM の系統誤差を完全には把握できていないた
め，44 nmという数値はIP-BSMの系統誤差が全くな- 159 -

Figure 10: Example of the intensity dependence of IP-BSM
modulation. Upper figure shows the result at 2014/6/13.
Lower figure shows the result at 2015/6/20.

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ATF2では，これまでに実験・理論計算の両面からの検討を進め，ビーム強度依存性に対する改善もおこなっている[15]。例えば，ビームライン中に多数存在するベローズでのwakefieldが問題となり得る
ことがわかり，ほぼすべてのベローズにシールドを付けた。また，ベータ関数の比較的小さな上流部にある4台のビームサイズモニター（OTRモニター）のチェンバーのwakefieldが最終収束点でのビームサイズに影響を与えることが実験的に観測されたため，現在はwakefieldの影響が最小になるようにOTRチェンバーの位置を調整している。

4.

まとめ

ATF2 ビームラインは ILC の最終収束系の実証試
験のため，KEK の ATF に作られた。ATF2 は ILC
Figure 11: Transverse wake potential of C-band BPM.と同様の色収差補整方法で，仮想衝突点で垂直方向
Upper figure and middle figures show the wake potentialsのビームサイズを絞る難しさも ILC の衝突点での難for bunch lengths of 0.3 mm and 7.0 mm[14]. Lower figure
しさと同等になるように決められている。また，
shows the simulation result of IP vertical beam size growth
ATF2 では N 1 10 の電子数でビーム収束試験
for the BPMs. In the simulation, the bunch population wasをおこなっているが，これも ILC の規定値のN
assumed to be N 1 10 .
2 10 と同等の難しさになっている。このように，そのため，前節で説明したビームサイズの結果は， ATF2 でのビームのパラメータは ILC でのビーム収バンチ辺りの粒子数がN 1 10 と少ない電荷量で 束を睨んで決められている。そして，現在 ATF2 の測定した結果である。このようなビーム強度依存性 仮想衝突点ではビームサイズを 44 nm 以下まで絞るは，ビームライン上のwakfieldによるものと思われ ことができている。これは設計ビームサイズの約ている。ただし，ILCと比べてATF2のビームはバン 1.2 倍の大きさである。
チ長が長いため，ATF2 では，よりwakefieldの影響謝辞を受けやすくなる。ATF2での主な wakefield 源であ 5.
る空洞型BPMのwake potentialを図11に示した。図11
今回，ATF2 グループを代表して発表することに
上図にはATF2 の典型的なバンチ長(7 mm)の時の， なりましたが，運転，解析にかかわった多くの方々
中 図 に は ILC の バ ン チ 長 (0.3 mm) の と き の wake の協力のもと多くのデータをまとめることができま
potential を示している。また，図11には，空洞型 した。ここに感謝の意を表します。
BPMのwakefieldがATF2仮想衝突点でのビームサイズに及ぼす影響のシミュレーション結果も示した。 参考文献
更に，ATF2とILCでの条件の違いによるwakefield [1] “ILC Technical Design Report”,
https://www.linearcollider.org/ILC/Publications/Technicalの影響の受けやすさを表3にまとめた。ATF2のNDesign-Report
1 10 の粒子数でのwakefield の影響は，ILCのN[2] ATF Collaboration, Phys. Rev. Lett., 88, 194801 (2002).
2 10 での影響と同じオーダーになっている。そ [3] “JLC design study”, KEK Report 97-1 (1997).
して，ATF2においてwakefieldは，N 1 10 の粒 [4] “ATF2 Proposal”, KEK Report 2005-2(2005).
子数のでは極端に問題になってないことから，ILC[5] V.Balakin et al., Phys. Rev. Lett., 74 2479 (1995).
においてもwakefieldの影響は大きな問題にならない[6] P.Raimondi and A.Seryi, Phys. Rev. Lett. 86, 3779 (2001).
だろうと考えている。
[7] T.Shintake, Nucl. Instru. Meth., A311, 455 (1992).

[8] T. Suehara et al., Nucl. Instrum. Meth., A616, 1-8 (2010).

Table 3: Comparison of Wakefield Effects of Cavity BPM
Misalignments for ATF2 and ILC Beamlines
Energy ( 1/)N
Bunch Length
Emittance (1⁄Beta Function ( ∑Total))

ATF2

ILC-500GeVILC/ATF2[9] T.Okugi et al., Phys. Rev. ST-AB 17, 023501 (2014).
[10] G.White et al., Phys. Rev. Lett. 112, 034802 (2014).

1.3 GeV

250GeV

0.0052[11] 奥木敏行, 高エネルギーニュース 32, 16 (2013).

121010207 mm

0.3 mm0.512 pm

0.07 pm

13.1241 m /557 m /

2.31
1.57

[12] K.Kubo, Proc. of IPAC14, WEZA01, Dresden (2014).
[13] S.Kuroda, Proc. of ICHEP14, Valencia (2014).
[14] A.Lyapin, Private communication.
[15] K.Kubo, A.Lyapin and J.Snuverink, ICFA Beam Dynamics
Newsletter 61 (2013).

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