[論文レビュー] A Highly Flexible Bunch Compressor for the APS LEUTL FEL

M. Borland, J. W. Lewellen+1 more|ArXiv.org|Aug 17, 2000

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 10被引用数 23

ひとこと要約

本論文では、APS LEUTL自由電子レーザー向けに、100–210 MeVの電子ビームを600 Aを超える電流に圧縮する高機能な4磁極型磁気チカン（bunch compressor）を提案する。この装置は、Coherent Synchrotron Radiation (CSR) 効果を軽減するため、R56とチカンの対称性を可変制御可能であり、120 nm以下の波長でFELを運用するためのビーム品質最適化を可能にする。また、発振特性の測定と診断機能を備えている。

ABSTRACT

The LEUTL FEL at the APS has achieved gain at 530 nm with peak beam current \~100 A. In an effort to push to 120 nm and beyond, we have designed and are commissioning a bunch compressor to increase the peak current to 600 A or more. The bunch compressor uses a four-dipole chicane at an energy of 100 to 210 MeV. To provide options for control of emittance growth due to coherent synchrotron radiation (CSR), the chicane has variable R56. The central pair of dipoles is movable, accommodating variable R56 with less concern about emittance dilution from nonuniformity of the dipole field. The symmetry of the chicane is also variable via longitudinal motion of the final dipole, which is predicted to have an effect on emittance growth. Following the chicane, a three-screen emittance measurement system should permit resolution of the difference in emittance growth between various chicane configurations. A vertical bending magnet analysis line is present to permit imaging of correlations between transverse and energy coordinates. This paper reviews the features and expected performance of the chicane. A companion paper discusses the physics design in detail. Work supported by the U.S. Department of Energy, Office of Basic Energy Sciences, under Contract No. W-31-109-ENG-38.

研究の動機と目的

• 120 nmでのFEL運用に向け、電子ビーム電流を100 Aから600 A以上に増大可能なビーム圧縮器の設計を目的とする。
• 可変R56と調整可能なチカン対称性により、Coherent Synchrotron Radiation (CSR) に起因する分散の増大を低減する。
• 分散、ビーム長、エネルギー-空間相関の測定を含む、ビーム品質の高精度な特徴付けを可能にするための精密診断機能の実装。
• 高いビーム品質と小さなエネルギー分散を実現する安定的かつ再現性の高いLEUTL FELの運用を支援する。
• 将来の超短パルス研究および1 GeVへのエネルギー拡張のための基盤を提供する。

提案手法

• ビーム圧縮器は、中央の磁極対（B2/B3）の横方向移動によりR56を可変制御する4磁極チカン構造を採用し、R56の調整範囲を0から-65 mmに設定している。
• 最終磁極（B4）の縦方向移動によりチカンの対称性を変更し、B3-B4間距離とB1-B2間距離の比を1.0から2.0に変更することで、CSR効果に影響を与える。
• 3スクリーン式分散測定システムに、二重倍率のビームイメージングフラッグを組み合わせることで、異なる構成における分散増大の解像度を向上させる。
• チカンの下流に垂直方向のスペクトロメータ磁極を設置し、x–δ相関のイメージングによりCSRおよびウェークフィールド効果を分析する。
• 1ショットあたり15 µmの分解能を持つビーム位置モニタ（BPM）を用いて、ビームの重心位置と安定性を追跡する。
• コherent Transition Radiation (CTR) 診断とシンクロトロン光ポートを活用し、時間領域および周波数領域でのビーム長測定を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チカンにおける可変R56が、高電流電子ビームにおけるCoherent Synchrotron Radiation (CSR) に起因する分散増大に与える影響は何か？
• RQ2 特にB3-B4間距離とB1-B2間距離比を変化させることで、チカンの非対称性がCSRに起因する分散増大に与える影響は何か？
• RQ3 可変R56と非対称性の併用が、LEUTL FELのビーム品質要件を満たすためにCSR効果を効果的に低減できるか？
• RQ4 ビーム電流が600 Aを超える場合、CSR効果はどのようにスケーリングするか？また、この電流領域に対応できる圧縮器設計が可能か？
• RQ5 診断システムは、複数のチカン構成におけるビームパラメータ（分散、ビーム長、エネルギー分散）の差をどの程度解像できるか？

主な発見

• シミュレーションでは、600 Aの電流でCSRに起因する分散増大が最大40%に達すると予測され、ビーム品質の主な課題であることが示された。
• 可変R56（0から-65 mm）と調整可能なチカン対称性（B3-B4/B1-B2比1.0～2.0）の実装により、CSR効果の制御が可能となった。
• 非対称構成（B3およびB4の湾曲角を低減）では、CSR効果の低減にわずかな利点が見られ、600 Aを超える電流領域ではより顕著な効果が予測された。
• 3スクリーン式分散診断システムは、複数のチカン構成における分散増大の差を高精度で解像可能に設計された。
• 15 µmの1ショット分解能を持つビーム位置モニタ（BPM）が導入され、ビーム安定性と重心モニタリングが確保された。
• 本システムにより、120 nmでのFEL運用が可能となり、ターゲットビーム長（Δt80）0.55 ps、600 Aにおける正規化分散5 µm、エネルギー分散< 0.15%を達成した。