[論文レビュー] Wire Scanners for Small Emittance Beam Measurement in Atf

H. Hayano|ArXiv.org|Aug 16, 2000

Calibration and Measurement Techniques参考文献 2被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、加速器テスト施設（ATF）の減衰リングでサブマイクロメートルスケールのビーム発散を測定する高精度なワイヤースキャナーシステムを提示する。50µmおよび10µmのゴールドめっきを施したタングステンワイヤアレイを用い、0.5µm分解能のステッピングモーターと放射線耐性を持つMagnescale位置センサを組み合わせることで、水平方向で2µm未塔、垂直方向で0.3µm未塔のビームサイズ分解能を達成し、1.3 GeVおよび1バッチあたり2×10⁹個の電子を有する条件下で、εx = 1.3×10⁻⁹ m·radおよびεy = 1.7×10⁻¹¹ m·radの正確な発散測定が可能になった。

ABSTRACT

The wire scanners are used for a measurement of the very small beam size and the emittance in Accelerator Test Facility (ATF). They are installed in the extraction beam line of ATF damping ring. The extracted beam emittance are ex=1.3x10-9 m.rad, ey=1.7x10-11 m.rad with 2x109 electrons/bunch intensity and 1.3GeV energy. The wire scanners scan the beam by a tungsten wire with beam repetition 0.78Hz. The scanning speed is, however, very slow(~500um/sec). Since the extracted beam is quite stable by using the double kicker system, precision of the size measurement is less than 2um for 50 - 150um horizontal beam size and 0.3um for 8 - 16um vertical beam size. The detail of the system and the performance are described.

研究の動機と目的

• 将来の線形衝突機応用に不可欠な、ATF減衰リングにおける非常に小さなビーム発散の正確な測定を可能にする。
• 8–16µmのマイクロメートルスケールの垂直ビームサイズを、高い空間分解能と安定性をもって測定する課題に対処する。
• 遅いスキャン速度にもかかわらず、水平ビームサイズ（50–150µm）において2µm未塔の分解能を達成する。
• ワイヤーの傾き、ビーム位置のジャイタ、ビームライン光学における分散効果に起因する測定誤差を最小限に抑える。
• 複数のワイヤースキャナーを用いた測定と、ビーム強度および分散調整による照合検証を通じて発散測定を検証する。

提案手法

• 3次元ビームプロファイルスキャンを実現するため、X軸に対して45°および10°の角度に取り付けられた50µmおよび10µmのゴールドめっきタングステンワイヤを備えた二重ワイヤースキャナーシステムを採用。
• 0.5µm分解能と0.1µm再現性を有する5相ステッピングモーター駆動ステージが、約500µm/secの速度でスキャナーを駆動し、0.78Hzのビーム繰り返し周波数によって制限される。
• 100mmの移動範囲で0.5µm分解能を実現する放射線耐性を持つMagnescale位置センサと外部電子回路を組み合わせ、正確で安定した位置フィードバックを確保。
• ビーム強度の変動は、ワイヤ信号をBPM強度読み取り値で正規化することで補正され、ビームサイズ測定誤差が0.3µm未塔にまで低減された。
• ビーム-ワイヤ相互作用によるガンマ線は、セレノフォーク検出器を用い、鉛コンバータ、空気中光ガイド、およびPMTで検出され、ノイズ低減のためシールド処理が施された。
• ビームサイズは、ワイヤースキャンプロファイルから導出され、ワイヤー径（2次効果）および投影移動方向（例：X/Y軸では1/√2）を補正した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高繰り返し・低発散ビームラインにおいて、50–150µmの水平ビームサイズに対して2µm未塔の分解能、8–16µmの垂直ビームサイズに対して0.3µm未塔の分解能を達成できるか？
• RQ2 ビーム位置ジャイタ（約4.4µm）はワイヤースキャナー測定にどのような影響を及ぼし、高分解能BPMによってこれを緩和できるか？
• RQ3 ワイヤーの傾き、ビームの傾き、および分散（≤10mm）が垂直発散測定精度をどの程度悪化させるか、またそれらを補正する方法は何か？
• RQ4 ビーム強度が測定発散に与える影響は何か？なぜ発散の増大が予想される内発散効果を上回るのか？
• RQ5 校正済みのワイヤー角度と安定した運動を有するマルチスキャナーシステムは、2µm未塔の不確実性で信頼できる発散測定を達成できるか？

主な発見

• ワイヤースキャナーシステムは、50–150µmのビームに対して水平方向で2µm未塔の分解能、8–16µmのビームに対して垂直方向で0.3µmの分解能を達成した。
• 1.3 GeVおよび1バッチあたり2×10⁹個の電子を有する条件下で、測定された発散はεx = 1.3×10⁻⁹ m·radおよびεy = 1.7×10⁻¹¹ m·radであり、ATFの設計目標を満たした。
• 高分解能マイクロ波BPMを用いて、ビーム位置ジャイタは2.4–4.4µmと測定されたが、BPM分解能を上回るが測定誤差の閾値未満であった。
• ステージの運動は0.5µm分解能、0.1µm再現性を達成し、55–771 Hzのクロック周波数範囲でワイヤーの振動は0.3µm p.p.未塔であった。
• 分散を10mm未塔に抑えることが不可欠であった。10mmの分散は6µmのビームサイズ増加を引き起こし、垂直ビームサイズと同等の影響を及ぼした。
• ビーム強度の増大に伴い発散が増大したが、内発散効果の予測を上回り、未解明の増大要因が存在することを示唆しており、さらなる検討が必要である。