Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

PROTOTYPE SCREEN MONITOR FOR XFEL/SPring-8
Shinobu Inoue1,A）, Kenich YanagidaB）, Yuji OtakeA）
A）

RIKEN, XFEL Joint Project /SPring-8
1-1-1,Kouto,Sayo,Hyougo,679-5148

B）

JASRI, XFEL Joint Project /SPring-8
1-1-1,Kouto,Sayo,Hyougo,679-5198

Abstract
A prototype screen monitor for XFEL/SPring-8 is developed and verified at the SCSS test accelerator. The imagingapparatus has a high-resolution (<10um) optical system with variable magnification of 1.2x-4x. In order to change themagnification ratio by remote control, a lens and an imaging device are mounted on motorized stages. The screen
actuator can hold two screen targets, an OTR target and a fluorescent plate target, and can switch them by an air
cylinder. We developed a thin OTR target made of 100um-thick stainless-steel foil in order to reduce demagnetizationof undulator magnets due to scattered particles at the target. We performed a beam experiment of the prototype screen
monitor with the thin OTR target at the SCSS test accelerator and we appropriately obtained an electron beam profile.

XFELに向けたスクリーンモニター試作機
1．はじめに
現在SPring-8キャンパスにX線自由電子レーザー（XFEL）施設を建設中である。XFELでは30μm以下の電子ビームサイズを測定する必要がある。本施
設では電子ビームの横方向空間構造の測定器としてスクリーンモニター（SCM）を採用する。SCMはXFELの技術試験の目的で建設されたSCSS試験加速器でも採用されており、SCSS試験加速器のSCMの評価から以下を開発する必要がある。（1）SCSS試
験加速器では市販のズームレンズをCCDカメラにマウントして撮像しており分解能が不足しているSCMである。市販のレンズでは収差などのレンズの特性が不明確であり、XFELではSCMの分解能が既知の光学系で構成される必要がある。特にQスキャンに[1]よるエミッタンス測定用SCM・RFディフレクターを用いた精密縦方向構造測定用SCM・アンジュレー
ター区間用SCMは10μm以下の高分解能なSCMが必要である。（2）SCSS試験加速器ではOTRターゲッ
トにパイレックスガラスに金が蒸着された金ミラーを用いている。XFELではOTRターゲットの耐久性と放射線シャワーによるアンジュレーター永久磁石の減磁は問題である、このため丈夫で放射線シャワーの少ないOTRターゲットが必要である。（3）蛍光ターゲットに用いているアルミナ蛍光板ターゲットには蛍光板厚分の滲みがあり正確な測定ができていない、このため滲みが少ない蛍光ターゲットが必要である。（4）SCSS試験加速器のSCMはターゲットを1枚しか設置できない。このため初期のビーム調整時には入射部（50MeV前後）では蛍光ターゲットとOTRターゲットを入れ替える作業が必要であった。真空作業が必要となりビーム調整の効1率面から問題となった。このためXFELでは蛍光ターゲットとOTRターゲットの2種類のターゲットを設置し切換えが可能なSCMが必要である。
[2]
このようなSCMのための新しい光学系 と機械系を一から設計・製作し、要求性能を満たしていることを確かめた。本稿では、光学系架台・スクリーン駆動部の機構部とスクリーンターゲットの詳細、その性能について報告する。

2．SCMの機構部
2．1

概要

SCMは、真空槽内のスクリーンターゲットである蛍光板ターゲットやOTRターゲットを電子ビームが通過する際に生じる可視光を、合成石英覗窓を通して大気中のレンズにて集光して結像しCCDカメラにて撮像する装置である。10μm以下の高分解能で測定可能なSCMを開発は光学系が非常に重要であり、機構部は光学系が満足する光学系架台と位置再現性のあるスクリーン駆動部が必要である。光学系は倍率4倍から1.2倍までの可変倍率光学系にした。SCM
ターゲットの発光点からレンズまでの距離はSCM真空槽、合成石英覗窓、真空槽内用照明と倍率校正用ターゲット（後述）が設置可能な100mmとした。この条件で要求分解能を満たすのは4倍ズーム光学系であった。倍率4倍時は現在予定しているCCDカメラでは視野が2.2mm（H）x1.7mm（V）と狭くビーム調整時に発光点が視野から外れる可能性がある。
このため倍率1.2倍まで変化させ視野を7.4mm（H）x5.5mm（V）まで拡大できる可変倍率光学系にする。

E-mail: inoues@spring8.or.jp-545-

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図 1：光学系架台
2．2

図 3：倍率校正ターゲット冶具

光学系架台部

図1に示す光学系架台部は、2台の駆動ステージをステージ天板に用いた市販の光学機器用のブレッド持ち、レンズとCCDカメラを別々に駆動する。別のボードに一様でない歪みがあり、フォーカス調整ス駆動ステージにレンズとCCDカメラを搭載したのは、 テージを歪ませているためである。シムにて調整を倍率を4倍から1.2倍にするためにレンズを約51mm 行ったが、締結具合にてフォーカス調整ステージの移動させるのに対してピント調整のためのCCDカメ歪み具合が変化するため誤差を少なくするには至っ
ラの移動量が約193mm必要で、相互の移動量が大きていない。しかしこのずれ量は、最大倍率と最小倍く違うからである（図2参照）。2台の駆動ステージ
率間のどの位置でも分解能を保持しながら画角内にはレゾルバ付24角パルスモーター（株式会社メレッ
プロファイルを観測できることを示す。
ク：TS3678N900）にて駆動する。レンズを移動させる駆動ステージ（倍率調整ステージ）は移動量が2．4 倍率校正用ターゲット65mmある。CCDカメラを移動させる駆動ステージ
光学系が倍率4倍から1.2倍のズーム機能があるた（フォーカス調整ステージ）は移動量が210mmある。
め、レンズ位置・CCDカメラ位置と結像倍率を校正
倍率調整ステージとフォーカス調整ステージは同する必要がある。
じ手動ステージ上に設置される。これはレンズの光
図3は倍率校正冶具である。倍率校正冶具はSCM軸とCCDカメラの関係を崩さず観測点を調整するたターゲット観測面の模倣面にグリッドディストー
めである。手動ステージは市販ステージで主に構成
ション図票（Edmund Optics）を下向きに取り付け、され、水平方向・回転方向・鉛直方向・あおり方向鏡を利用し90度横から測定する。倍率校正冶具はレに調整可能である。
ンズとSCM真空槽の合成石英覗窓の間に設置する。
手動ステージ上のピン3本に倍率校正冶具を押し当2．3 光学系架台部の精度て位置決めを行い再現性の高い設置が可能である。
倍率を4倍から1.2倍にしたずれ量を画像から求め
倍率校正冶具で倍率を校正し覗窓を通し真空内のると、垂直方向：150μm・水平方向：20μm でSCMターゲットを確認すると、ピントが合うカメラあった。垂直方向に大きな誤差がある原因は、手動位置が光学シミュレーションと異なる値であった。
この原因はレンズとターゲットの間にある覗窓の合成石英ガラスの予想の屈折率からのずれにあると考えている。このため倍率校正冶具に覗窓と同じ合成石英ガラスを取付けられる構造に変更する。
2．5

図 2：光学シミュレーションによる倍率とレンズ・CCDカメラ位置

スクリーン駆動部

スクリーン駆動部は、エアシリンダーを用いて3位置に停止できる構造である。2つのターゲット位置とビーム通過位置の３位置に停止するため、真空内の移動量が大きい。ターゲットの設置位置精度を出すため、スクリーン駆動部は両側から支持する構造を採用した。
図4はSCMチャンバー本体の内部構造である。ス
クリーンターゲットは、大気中の駆動を真空中に伝達する軸（スクリーンシャフト）に直接取り付ける。
スクリーンシャフトの最上部にビーム通過用開口、中央部は蛍光板ターゲット取付部、最下部はOTRターゲット取付部である。蛍光板ターゲット取付部-546-

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図 5：OTRターゲット

図 4：スクリーン駆動部
はビーム入射開口にねじ加工がされており、Ce:YAG 等 の 透 明 蛍 光 板 を 搭 載 し た 筒 型 ホ ル
ダーを取り付け、45度の加工面に取り付けた鏡にて蛍光を観測開口へ導き観測する。OTRターゲットは45度の加工面に取り付ける。
スクリーンシャフトは、下部の先端がテーパーになっており下部フランジ内のテーパー穴で同心円を拘束しながら真空内で固定し、上部はシャフトクランプにて大気中で固定する。スクリーンシャフトとシャフトクランプは水平方向の回転をピンで拘束している。シャフトクランプがエアシリンダーと接続しており、エアシリンダーの駆動をスクリーンシャフトに伝達する構造である。

3．スクリーンターゲット
3．1

OTRターゲット

OTRターゲットは放射線シャワーを減らすため、衝突面の厚みが100μmである。図5はOTRターゲット（SUS材）である。楕円内部の鏡面部（表面粗さRa:4.8nm／Rz:33.9nm／Ry:46.5nm）がビーム衝突面で厚さ100μmと薄く、周囲の額縁部の厚さは1mmで強固である。中央部の楕円部をスポーク状に支持しているのは、製造時に鏡面部に加わる応力を逃がすためである。OTRターゲットはアロン社で製造され、フォトエッチングで製作した厚さ100μmのSUS板を、拡散接合で10枚接合している。スクリーン
シャフトへの取り付けは、周囲の４つの穴でねじ止めして取り付けられる。鏡面部の変形（窪み）は中心付近φ5mmの範囲内で約3μmであり、大きくない こ と が 確 認 さ れ た 。 SCSS試 験 加 速 器 に て 電 子
ビームにてOTRを観測し、OTRターゲットとして問題ないことを確認した。（図6参照）
3．2

蛍光板ターゲット

蛍光板ターゲットはCe:YAG等の透明蛍光板を準備している。透明蛍光板からの蛍光は、ビーム衝突面の裏から鏡にて観測する。実際の電子ビーム試験による評価は今後行う。

図 6：SCSS試験器によるOTR

4．まとめ・今後10μm以下の高分解能で測定可能なSCMを開発した。倍率4倍時に高分解能（2.5μm程度）になる光学系は、視野の問題から倍率4倍から1.2倍まで倍率を変更できる光学系架台に搭載する。倍率4倍から1.2倍にしたずれ量は、撮像画像から垂直方向：150μm・水平方向：20μmであった。このことは、最大倍率と最小倍率間のどの位置でも分解能を保持しながら画角内にプロファイルを観測できることを示す。倍率校正冶具で倍率を校正し覗窓を通し真空中のSCMターゲットを確認すると、ピントが合うカメラ位置が光学シミュレーションと異なる値であった。
この原因はレンズとターゲットの間にある覗窓の合成石英ガラスの予想の屈折率からのずれにあると考えている。このため倍率校正冶具に覗窓と同じ合成石英ガラスを取付けられる構造に変更する。スクリーン駆動部はOTRターゲットと蛍光板ターゲットの2つのスクリーンターゲットが設置でき、エアシリンダーにて切り替えることが出来る。
OTRターゲットはビーム衝突面が厚さ100μmと薄 く 、 周 囲 が 厚 さ は 1mm と 強 固 な 形 状 で あ る 。
SCSS試験加速器の電子ビームにてOTRターゲットとして問題ないことを確認した。透明蛍光板の評価を今後行う。

参考文献[1] H. Ego et al., Design of the Transverse C-band RF
Deflecting Structure for Measurement of Bunch Length inX-FEL, Proc. of the 11th European Particle Accelerator
Conference, EPAC08 (2008).
[2] K.Yanagida, et al., OPTICS OF SCREEN MONITOR FOR
XFEL/SPring-8, Proc. of the 5th Particle Accel. Soc. ofJapan （2008）, in Japanese.

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