[논문 리뷰] An optical and terahertz instrumentation system at the FAST linac at Fermilab

R. Thurman-Keup, A.H. Lumpkin외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 02.

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers참고 문헌 9인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 페르미랩의 FAST 라인애크에서 비틀림 빔 압축기 및 하류 구성 요소로부터 발생하는 동기방출 및 전이방출을 이용하여, 스트리크 카메라와 마틴-퓌플레트 간섭계를 통해 고정밀 빔 버스트 길이 측정을 가능하게 하는 새로운 광학 및 테라헤르츠 장치 시스템을 제시한다. 初기 결과는 신호 획득에 성공했으며, 전자 빔 진단에서 피코초 이하의 해상도를 갖춘 시스템의 능력을 검증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• FAST 라인애크에서 전자 빔 버스트 길이를 광학 및 테라헤르츠 방출을 이용해 측정할 수 있는 다용도 진단 시스템을 개발하기 위해.
• 빔라인 구성 요소로부터의 외부 방출 수집을 통해 비침습적이고 실시간 전자 빔 진단을 가능하게 하기 위해.
• 스트리크 카메라와 마틴-퓌플레트 간섭계의 성능을 피코초 이하의 해상도에서 빔 버스트 길이 측정에 대해 검증하기 위해.
• 스펙트로미터 매그네틱 후 전이방출 또는 YAG 스크린을 통해 에너지-시간 상관관계 데이터에 액세스할 수 있도록 하기 위해.
• IOTA 링을 이용한 비선형성 및 적분 가능한 빔 옵티컬 연구를 지원하기 위해 고정밀 빔 진단을 제공함으로써 고성능 빔 진단을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 두 개의 싱크로트론 방출 포트가 위치한 치케인 빔 압축기에서 광학 및 테라헤르츠 방출을 수확한다.
• 빔 압축기 하류에 위치한 스크린으로부터 회절 및 전이방출을 캡처하여 추가적인 진단을 수행한다.
• 수집된 방출을 외부에 위치한 스트리크 카메라로 이동시키기 위한 전용 광학 트랜스포트 시스템을 설계한다.
• 동일한 방출을 마틴-퓌플레트 간섭계로 유도하여 고해상도 테라헤르츠 기반 빔 버스트 길이 측정을 수행한다.
• 스펙트로미터 매그네틱 후 전이방출 스크린 또는 YAG 스크린과 연계하여 에너지-시간 상관관계 연구를 가능하게 하기 위한 인터페이스를 설계한다.
• FAST 시설의 기존 빔라인 구성 요소, 특히 ILC 스타일의 크라이오모듈과 IOTA 링을 활용하여 빔라인 수정 없이도 진단을 수행할 수 있도록 설계한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FAST 라인애크에서 싱크로트론 및 전이방출 소스로부터 유도된 광학 및 테라헤르츠 방출이 전자 빔 버스트 길이 측정에서 피코초 이하의 해상도를 제공할 수 있는가?
• RQ2 고반복률 환경에서 빔 버스트 길이 진단에 있어 스트리크 카메라와 마틴-퓌플레트 간섭계의 성능 및 안정성은 어떻게 비교될 수 있는가?
• RQ3 광학 트랜스포트 시스템과 함께 전이방출 또는 YAG 스크린을 활용하여 에너지-시간 상관관계 데이터에 액세스하는 것이 가능한가?
• RQ4 알려진 빔 파rameter와 방출 소스를 사용하여 시스템을 얼마나 정밀하게 校정하고 검증할 수 있는가?
• RQ5 실시간 비침습적 진단을 제공함으로써 시스템이 IOTA 링에서 고급 빔 다이내믹스 연구를 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 광학 트랜스포트 시스템은 FAST 라인애크의 빔라인 구성 요소로부터 사용 가능한 광학 및 테라헤르츠 방출을 외부 진단 장치로 성공적으로 전달하였다.
• 스트리크 카메라를 이용한 初기 측정 결과에서 전자 빔 버스트 길이 특성 분석에 대해 피코초 이하의 해상도를 확보하였다.
• 마틴-퓌플레트 간섭계는 안정적이고 반복 가능한 테라헤르츠 기반 빔 버스트 길이 측정을 달성하여 고정밀 진단에 적합함을 확인하였다.
• 싱크로트론 및 전이방출 소스 양쪽에서의 신호가 성공적으로 수확되고 분석되어, 시스템의 다중 소스 기능성 검증이 이루어졌다.
• 스펙트로미터 매그네틱 후 전이방출 스크린을 통해 에너지-시간 상관관계 데이터에 대한 초도 액세스가 가능해져 향후 빔 다이내믹스 연구를 지원하였다.
• 전반적인 설정은 기존 FAST 시설 인프라와 잘 호환되며 내구성이 있으며 향후 업그레이드 및 확장된 진단을 지원함을 입증하였다.