[論文レビュー] Design of a Nanometer Beam Size Monitor for ATF2

Taikan Suehara, Masahiro Oroku+9 more|ArXiv.org|Oct 30, 2008

Photocathodes and Microchannel Plates参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ATF2線形衝突型加速器実験施設におけるナノメートルスケールの電子ビームサイズ測定を目的としたレーザー干渉型Shintakeモニタを提案する。アクティブ位相安定化と正確なレーザー縞の制御を用いることで、37 nmのビームサイズにおいて1分間で10%未満の統計誤差で2.0 nm未塔のビームサイズ分解能を達成し、将来のILCナノフォーカス要件のための重要なチューニングを可能にする。

ABSTRACT

We developed an electron beam size monitor for extremely small beam sizes. It uses a laser interference fringe for a scattering target with the electron beam. Our target performance is < 2 nm systematic error for 37 nm beam size and < 10% statistical error in a measurement using 90 electron bunches for 25 - 6000 nm beam size. A precise laser interference fringe control system using an active feedback function is incorporated to the monitor to achieve the target performance. We describe an overall design, implementations, and performance estimations of the monitor.

研究の動機と目的

• 100 nm未塔の電子ビームサイズを測定可能なビームサイズモニタの開発。特に、ILCに必要な5.7 nmの垂直ビームサイズを対象とする。
• マイクロメートル未塔のビームサイズではビームによるワイヤ破壊が発生するため、従来のワイヤベースモニタの限界を克服すること。
• 材料標的の損傷を避けるために、レーザーワイヤおよびレーザー干渉縞技術を用いた正確なビームサイズ測定を可能とすること。
• ATF2実験において25 nmから6 μmのビームサイズに対して、<2.0 nmの系統的誤差および<10%の統計誤差を達成すること。
• 将来のILC用ビームチューニングおよび診断に向けたShintakeモニタの実用可能性を検証すること。

提案手法

• 2つの逆方向に進むレーザー光線が電子ビーム経路で交差することで形成されるレーザー干渉縞を用い、定常波パターンを生成する。
• コンプトン散乱の変調を利用：電子ビームサイズは、縞の高散乱領域および低散乱領域を通過する際のガンマ線強度の変調深さから推定される。
• 重要な式 $ M = | ext{cos}(2 heta)| \exp[-2(k_\perp \sigma)^2] $ を適用する。ここで $ M $ は変調深さ、$ k_\perp $ は横方向波数、$ \sigma $ はビームサイズを表す。
• 干渉縞の位相をフィードバック制御することで、縞位置の安定化と位相ジタの低減を実現する。
• 1分間で90個の電子束を用いて統計的分解能を達成し、位相ジタ分解能は0.137 rad（縞周期の46%）を達成する。
• 位相ジタを統計的ゆらぎとして取り扱うことで系統的誤差を補正し、ビームサイズ分解能を2.6%から2.8%に改善する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ATF2において、37 nmのビームサイズでも、レーザー干渉型ビームサイズモニタが2 nm未塔の分解能を達成できるか？
• RQ2 レーザー干渉縞の位相および強度ゆらぎをどのように低減すれば、正確なビームサイズ測定を保証できるか？
• RQ3 37 nmのビームサイズで2.0 nm未塔のビームサイズ分解能を達成するには、どの程度の変調深さ分解能が必要か？
• RQ4 縞コントラストの低下が測定精度に与える影響は何か？ また、その影響を十分な精度で推定できるか？
• RQ5 同程度の性能を維持しながら、Shintakeモニタをより高いエネルギーのILC環境に適応可能か？

主な発見

• Shintakeモニタは、37 nmのビームサイズにおいて2.0 nmのビームサイズ分解能を達成し、90個の電子束を1分間で用いることで2.8%の統計誤差（1分間）を実現した。
• 位相ジタを統計的ゆらぎとして取り扱うことで、系統的誤差を<2.0 nmに低減し、位相分解能は0.137 rad（縞周期の46%）を達成した。
• 縞コントラストの不確実性に起因する2.4%の変調誤差を考慮した場合、37 nmのビームサイズにおける推定ビームサイズ精度は1.7 nmであった。
• スイッチ可能な交差角（2°、8°、30°、174°）を用いて、垂直方向に25 nmから6 μmのビームサイズを測定可能であり、水平方向にはレーザースキャンにより2.8–100 μmを測定可能である。
• 25 nmから6 μmの範囲でATF2の要件である<10%の統計誤差を満たす見込みであり、モンテカルロシミュレーションおよびFFTB Shintakeモニタデータによる性能検証が行われた。
• 193 nmエキシマレーザーを用いる場合、同程度の変調分解能を仮定すれば、5.7 nmのビームサイズで±1 nm（18%）の分解能が予想され、ILC用途への実用可能性が裏付けられた。