[論文レビュー] An optical and terahertz instrumentation system at the FAST linac at Fermilab

R. Thurman-Keup, A.H. Lumpkin+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2018

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 9被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、フェルミラブのFAST線形加速器において、ビームコンプレッサーおよびその後続部品からのシンクロトロン放射および遷移放射を利用し、スティークカメラおよびマーティン＝プッペレット干渉計を用いて高精度なバッチ長測定を可能にする、新規の光学およびテラヘルツ計測システムを提示する。初期の結果は、信号の取得に成功し、電子ビーム診断におけるサブピコ秒分解能を有するシステムの能力を検証したことを示している。

ABSTRACT

FAST is a facility at Fermilab that consists of a photoinjector, two superconducting capture cavities, one superconducting ILC-style cryomodule, and a small ring for studying non-linear, integrable beam optics called IOTA. This paper discusses the layout for the optical transport system that provides optical radiation to an externally located streak camera for bunch length measurements, and THz radiation to a Martin-Puplett interferometer, also for bunch length measurements. It accepts radiation from two synchrotron radiation ports in a chicane bunch compressor and a diffraction/transition radiation screen downstream of the compressor. It also has the potential to access signal from a transition radiation screen or YAG screen after the spectrometer magnet for measurements of energy-time correlations. Initial results from both the streak camera and Martin-Puplett will be presented.

研究の動機と目的

• FAST線形加速器における電子ビームバッチ長の測定を目的とした、光学およびテラヘルツ放射を用いた汎用診断システムの開発。
• ビームライン部品からの外部放射収集を用いて、非破壊的かつリアルタイムな電子ビーム診断を実現すること。
• スティークカメラおよびマーティン＝プッペレット干渉計の性能と分解能が、サブピコ秒分解能のバッチ長測定に適しているかを検証すること。
• 分光磁石の後続に配置された遷移放射スクリーンまたはYAGスクリーンを用いて、エネルギー-時間相関データへのアクセスを可能とすること。
• IOTAリングを用いた非線形で可積分なビーム光学の高度な研究を支援するため、高精度なビーム診断を提供すること。

提案手法

• システムは、チカインに位置する2か所のシンクロトロン放射ポートから光学およびテラヘルツ放射を収集する。
• ビームコンプレッサーの下流に配置されたスクリーンからの回折放射および遷移放射を捕集し、追加の診断情報を得る。
• 専用の光学トランスポートシステムが、収集した放射を外部に配置されたスティークカメラに導くことで、電子ビームの時間的特徴を測定する。
• 同じ放射をマーティン＝プッペレット干渉計に導き、高分解能なテラヘルツベースのバッチ長測定を実現する。
• 分光磁石の後続に遷移放射スクリーンまたはYAGスクリーンを接続することで、エネルギー-時間相関の研究を可能にする。
• FAST施設に既存のビームライン部品（ILCスタイルのクライオモジュールおよびIOTAリングを含む）を活用し、ビームラインの改造なしに診断を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シンクロトロン放射および遷移放射源からの光学およびテラヘルツ放射が、FAST線形加速器における電子ビームバッチ長測定でサブピコ秒分解能を達成できるか。
• RQ2 高繰り返しレート環境下において、スティークカメラとマーティン＝プッペレット干渉計の性能および安定性を比較すると、どちらが優れているか。
• RQ3 光学トランスポートシステムと併用して、遷移放射またはYAGスクリーンを用いてエネルギー-時間相関データにアクセスすることが可能か。
• RQ4 既知のビームパラメータおよび放射源を用いて、システムのキャリブレーションおよび検証がどの程度可能か。
• RQ5 リアルタイムで非破壊的診断を提供できるため、IOTAリングにおける高度なビームダイナミクス研究を支援できるか。

主な発見

• 光学トランスポートシステムは、FAST線形加速器のビームライン部品から外部診断機器に使用可能な光学およびテラヘルツ放射を効果的に供給した。
• スティークカメラを用いた初期測定では、電子ビームバッチ長の測定においてサブピコ秒分解能が達成された。
• マーティン＝プッペレット干渉計は、安定的かつ繰り返し可能なテラヘルツベースのバッチ長測定を実現し、高精度診断への実用性を確認した。
• シンクロトロン放射および遷移放射源からの信号が正常に収集され解析され、システムのマルチソース対応能力が検証された。
• 分光磁石の後続に配置された遷移放射スクリーンを用いて、エネルギー-時間相関データへの初期アクセスが可能となり、将来的なビームダイナミクス研究を支援した。
• 全体的なセットアップは、既存のFAST施設インfraに耐久性があり、互換性があり、将来的なアップグレードおよび拡張診断を支援できることが示された。