[論文レビュー] High throughput data streaming of individual longitudinal electron bunch profiles in a storage ring with single-shot electro-optical sampling

Stefan Funkner, Edmund Blomley+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2018

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 32被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、カールスルーマ研究加速器（KARA）において、MHz繰り返しレートで個々の縦方向電子ビームプロファイルをMHzレートでストリーミング可能な、高スループットでワンショットの電気光的採番（electro-optical sampling）システムを提案する。この手法により、コherent synchrotron radiation やマイクロバッチングを含むビームダイナミクスのギャップレスでリアルタイムのモニタリングが可能となり、高い時間分解能と電荷密度プロファイルの統計的特徴付けが実現される。

ABSTRACT

The development of fast detection methods for comprehensive monitoring of electron bunches is a prerequisite to gain comprehensive control over the synchrontron emission in storage rings with their MHz repetition rate. Here, we present a proof-of-principle experiment with at detailed description of our implementation to detect the longitudinal electron bunch profiles via single-shot, near-field electro-optical sampling at the Karlsruhe Research Accelerator (KARA). Our experiment is equipped with an ultra-fast line array camera providing a high-throughput MHz data stream. We characterize statistical properties of the obtained data set and give a detailed description for the data processing as well as for the calculation of the charge density profiles, which where measured in the short-bunch operation mode of KARA. Finally, we discuss properties of the bunch profile dynamics on a coarse-grained level on the example of the well-known synchrotron oscillation.

研究の動機と目的

• ストレージリングでMHz繰り返しレートで動作する環境において、縦方向電子ビームプロファイルのリアルタイムで破壊的でないモニタリングを可能にすること。
• 従来のワンショット電気光的採番実験で見られた低繰り返しレートのDAQシステムの制限を克服すること。
• 長時間にわたる観測期間において、完全なビームダイナミクスを捉えることが可能な高スループットのデータストリーミングシステムの開発。
• マイクロバッチング不安定性に起因するマイクロ構造を含む、ビームプロファイルダイナミクスの統計的性質の特徴付け。
• コherent synchrotron radiation やビーム不安定性の未来の研究のための包括的な実験的およびデータ処理フレームワークの提供。

提案手法

• ストレージリング内の相対論的電子ビームの近隣電場をワンショット電気光的採番（EOS）で検出する。
• ビーム繰り返しレートに同期した線形にチャープされたレーザーパルスを用い、ビームプロファイルを光パルスに符号化する。
• 符号化された光信号のMHzレート、ギャップレスなデータストリーミングを実現するため、超高速ラインアレイカメラ（KALYPSO）を用いる。
• 高度なデータ処理を適用して時間的プロファイルを復号し、縦方向電荷密度分布を再構築する。
• ビーム経路の近くに設置された真空適合性のある電気光結晶を用い、ビームの乱れを引き起こさずにビーム電場を採番する。
• 生データを処理して、シンクロtron振動やマイクロバッチング構造などの統計的性質およびダイナミックな特徴を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ワンショット電気光的採番は、ストレージリング内での個々の電子ビームプロファイルのMHzレートでのデータストリーミングを達成できるか？
• RQ2 高繰り返しレート下での縦方向ビームプロファイルの統計的性質は、時間経過とともにどのように変化するか？
• RQ3 この高スループットシステムにより、コherent synchrotron振動やマイクロバッチングといったダイナミックな特徴は、どのように解像可能になるか？
• RQ4 信号対雑音比（SNR）は繰り返し周波数が上昇するに従ってどのように向上し、どのような微細構造が可視化可能になるか？
• RQ5 この手法により、さまざまな時間スケールでのビームダイナミクスの直接的かつ平均化されていない視認が可能か？

主な発見

• 本システムは、ギャップレスでMHzレートの個々の電子ビームプロファイルのデータストリーミングを達成し、ビームダイナミクスの連続的モニタリングを可能にした。
• データセットの統計的特徴付けにより、理論的予測と整合的な粗粒度のコherent synchrotron振動が確認された。
• マイクロバッチング不安定性に起因する電荷密度プロファイルのマイクロ構造が、高レート下で明確に捉えられた。
• 回転周波数に達した際に信号対雑音比（SNR）が著しく向上し、電荷密度プロファイルの微細構造の解像が可能になった。
• 実験装置およびデータ処理パイプラインは詳細に検証され、再現可能性および未来の応用のための文書化が完了した。
• 本手法により、コherent放射および不安定性の研究に不可欠な高時間分解能での直接的かつ非破壊的ワンショットビームダイナミクスモニタリングが可能になった。