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

PASJ2015 THP082

ニュースバル入射ビームラインの時間分解 Q スキャン
TIME RESOLVING Q-SCANNINNG AT THE BEAM TRANSPORT LINE
庄司善彦#, A) , 皆川康幸 B), 竹村育浩 B)
Yoshihiko Shoji #, A) , Yasuyuki Minagawa B), Yasuhiro TakemuraB)
A)
University of Hyogo, NewSUBARU/SPring-8A)
Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI)
Abstract

We report the results of the time-resolving Q-scan at the beam transport line to NewSUBARU. We used theconventional Charge Transformer (CT) to monitor the linac bunch structure and the screen monitor for the measurementof beam profile. We succeeded to obtain a transverse beam parameter of one single bunch in a macro pulse, which had
two or three bunches.

1.

はじめにから rf bucket に対するビーム軸方向のパルスサイズは十分小さく、また vertical transverse emittance は入射効率に対する決定的要素ではないことが解ってきた。従って次のステップは上記(1),(2)と(3)が（x-x’）
空間でも正しいと示すことである。
ここで我々はより簡単な測定方法が必要と考えて、旧来の方法による測定可能性を検討した。それはビームトランスポートラインに従来から設置されていたスクリーンモニターを使った Q-スキャンである。
これを、内部バンチ構造に感度を持つ CT と組み合わせることで、単一バンチだけを分離してビームパラメーターを得る事に成功した。

電子蓄積リング NewSUBARU では、安定なトップアップ運転を継続するために高い入射効率の維持が重要である。これまで様々なマシンスタディーを通じてポイントが明らかになってきた。近年の問題点の一つは、ショット毎の入射ビームのばらつきである。これは線形加速器を入射器としていることに起因し、入射調整の鍵はこの線形加速器ビームの理解にあることが明らかになっている。
ニュースバルへの入射はシングル・バケット入射で、入射ビームの時間幅はサイクルによって一定ではないが 1ns 程度である。蓄積リングの rf 周波数は測定方法
500MHz であり、１発のビーム（マクロ・パルス） 2.
は蓄積リングの１つの rf バケットに入射される。一 2.1 モニター装置
方で線形加速器の rf 周波数は 2856MHz なので、こ2014 年にデマルケストスクリーンの厚さを 1mmの１発のマクロ・パルスは内部バンチ構造を持ち１から 0.1mm に変更し、分解能を大幅に向上させた。
パルスは 2~3 バンチを含む。これまでの観測に依れFigure 1 にスクリーンの構造を示す。従来からあるば、このバンチ構造（=時間構造）のばらつきに連スクリーンのマーカー（小穴）は、スケール較正用動して横方向のビームパラメーターも変動している。に、中央から端に移した。
問題点はそれが入射効率のばらつきに直結していることにある。
これまで我々は、電子蓄積リングに設置したストリークカメラを用いて線形加速器ビームをモニターしてきた[1]。この測定手順は解析が面倒だが、現有機器のみで、線形加速器ビームの時間構造（バンチ構造）と、それぞれのバンチの 2 次元（y-y’あるいはx-x’）分布をシングル・ショットで測定できる手法である。これまでの y-y’空間の測定によって明確になってきた点は以下である。
(1) 電子銃の時間ゲートにタイミングジッターがあり、これがパルス内のバンチ構造を変える。
(2) 同一パルス内でも先頭バンチと最後のバンチでは、transverse parameters が大きく違う。
(3) 同一パルス内の同じ先頭バンチでも、時間構
造 に 起 因 す る バ ン チ 電 荷 に よ っ て 、 transverse
parameters が変わる。
Figure 1: New monitor screen at the transport line.
といったものである。一方で別のマシンスタディー___________________________________________# shoji@lasti.u-hyogo.ac.jp- 1206 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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スクリーンを薄くした効果で電子ビームの多くがスクリーンを透過するようになり、スクリーンより下流に設置されている CT で時間構造の同時測定が可能となった。今回使用した fast CT も従来からビームトランスポートに設置されている装置である。時間分解能は 0.5 ns 程度で線形加速器のバンチを分離できないが、ビームがバンチから構成されていることを仮定すれば凡その推測が可能あって、それで十分である。

ロファイルであることは容易に推測できる。これを利用してバンチ毎のプロファイルを得ることが可能である。
推測部分があるが、ストリークカメラを使った測定からの知見が不足部分を補っている。つまり、
transverse parameter の原因は電子銃の timing jitter であ り 、 同 じ 時 間 構 造 に 対 し て は 同 じ transverse
parameters になるという前提で解析を勧めることが出来るということである。

2.2

3.

時間分解 Q スキャン

3.1

Q 設定

プロファイル計測

測定は通常の Q-スキャンと同じだが、同一条件で20~30 回測定する。同時に CT 波形を取り、CT 波形別に解析する。
測定結果の一例を Figure 2 に示す。従来は CT との相関は考えずに Q スキャンを行なってきたために気付かなかったが、図のように比較すれば、相関は明白である。

(d)1-29

序論に述べた(1)〜(3)の知見が垂直方向だけでなく水平方向でも正しいことは、定性的には Figure 2 が証明している。しかし、この章では定量的な Q-scanによる解析について述べる。今回の測定はQuadrupole magnet : Q10 とその中央から L=9.39m 下流のデマルケストスクリーン M5 を使った。Q10 の設定は K= -0.8, -1.44, -1.9 (rad/m)の３種類でそれぞれ20 shots 程度測定した。Q10 の実行長は LQ=0.264m である。以下、thin lens 近似を使い、集束力=焦点距離の逆数=KLQ を k として解析を進める。
3.2

プロファイル解析得られた典型的な horizontal profile を、CT timeprofile 順に並べて示したものが Figure 3 である。バンチ構造に依ってプロファイルが変わるので、近いバンチ構造のプロファイルを使って k 依存を見なければならない。
これらのプロファイルに対して Lorentz 分布とGauss 分布を組み合わせた以下の関数を使って fittingした。

(c)1-16(b)1-12(a)1-3Figure 2: Example of the measurement at K=-1.44. The left
is the CT signal form and the right is the beam profile on
the screen for the same shot. Four sets of profiles are theimages of four different shots with exactly the samemachine parameters.
Single bunch に近いビームに対しては（最下段のプロファイル）、スクリーン上のビームプロファイルは小さなスポットである。CT 波形に後方バンチが現れてきたと考えられるショットでは、先頭バンチのスポットはやや左に移動し、右に新しいスポットが出現する。この、右のスポットが後方バンチのプExp(−x 2 / 8w 2 )1+1 / (1+ x 2 / w 2 )

(1-1)

Exp(−x 2 / w 2 )1+1/ (1+ x 2 / w 2 )

(1-2)

式に物理的意味は無く、単に fitting が良いというだけである。左右対称で幅のパラメーターは w のみ、この他に高さと位置がパラメーターとなる。幅 w と分散の関係は、(1-1)に対しては rms2=3.17w2、(1-2)に対しては rms2=0.422w2 である。式の使い分けは、
K=-1.44 に対しては式(1-1)、K= -0.8, -1.9 に対しては式(1-2)とした。
先頭バンチの強度が最も高い最下段のプロファイルに対して行なった fitting 結果を Figure 4 に示す。
3.3

k 依存

Figure 4 の左右のピークはそれぞれ先頭バンチと２番目のバンチに相当する。ここでは左右のピークの面積比はほぼ 3:1 の shot で比較する。先頭ピークに対して rms2 を使った Q scan の結果を Figure 5 に示す。データ点が 3 つなので、パラメーターは決まってしまう。スクリーン分解能を rms2 = 0..01mm2 とし- 1207 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Figure 3: Typical horizontal beam profiles for three Q magnet settings.

Figure 4: Paraameter fitting to the beam profiles at the bottom of Figure 3.て求めた Q10 位置のビームパラメーターは、先頭と２番目のバンチに対してそれぞれ以下であった。
εx=0.016mm mrad., βx=11.5m, αx=-2.8
εx=0.010mm mrad., βx=12.3m, αx=-2.4

Figure 6: Position difference of the initial bunch and thesecond bunch.

Figure 5: Parabola shape of Q-scanning of the initial bunch.
更に２つのピーク位置の差から、Q10 位置における中心の差を計算できる。スクリーン上の位置差をΔx、Q10 における位置と角度差をそれぞれΔx0 Δx'0 とすると下式が成り立つ。

Δx = (Δx0 + LΔx '0 ) + (LΔx0 )kFigure 7: Beam ellipses of the initial bunch (peak1) andthe second bunch (peak2) at Q10.

(2)

Figure 6 に 示 す プ ロ ッ ト か ら Δx0= 0.36 mm, Δx'0=0.02mrad.を得る。
以上の結果を Q10 位置の x-x’空間に表示したもの
が Figure 7 である。先頭と２番目のバンチは分離されており、バンチ単独に対する Twiss parmeters とマ
クロ・パルス全体に対する Twiss parameters は全く違う。また、タイミングジッターによってこの絵は大きく変る。

4.

まとめ

ニュースバルへのビームトランスポートにおいて、線形加速器ビームの特定のバンチに対する Q-scan を行なった。これは、従来型スクリーンモニターと、バンチ構造に感度を持つ CT の組み合わせで可能になった。これにより既に明らかにした垂直方向に加え、水平方向のビームパラメーターのバンチ依存も確認できた。同じマクロ・パルス内であっても、バ- 1208 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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ンチによってパラメーターが異なり、同じバンチであってもマクロ・パルス内のバンチ構造変化によってパラメーターが変化する。そして、バンチ構造がほぼ同じであれば横方向のパラメーターもほぼ同じになる。

参考文献[1] Y. Shoji, K. Takeda, Y. Minagawa, Y. Takemura, S. Suzuki,and T. Asaka , "Electron Storage Ring as a Single Shot Linac
Beam Monitor", Proc. of IBIC'12.

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