[논문 리뷰] A Highly Flexible Bunch Compressor for the APS LEUTL FEL

M. Borland, J. W. Lewellen외 1명|ArXiv.org|2000. 08. 17.

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers참고 문헌 10인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 APS LEUTL 자유전자 레이저를 위한 매우 유연한 4단극자 자기 치케인 빔 압축기를 제안하며, 100–210 MeV에서 600 A를 초과하는 전류로 전자 빔을 압축하고, Coherent Synchrotron Radiation (CSR) 효과를 완화하기 위해 R56 및 치케인 대칭성을 가변적으로 제어할 수 있도록 설계되었다. 이 시스템은 빔 품질 최적화를 위한 에미턴스 측정 및 진단 기능을 지원하여 120 nm 이하에서 FEL 운영을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The LEUTL FEL at the APS has achieved gain at 530 nm with peak beam current \~100 A. In an effort to push to 120 nm and beyond, we have designed and are commissioning a bunch compressor to increase the peak current to 600 A or more. The bunch compressor uses a four-dipole chicane at an energy of 100 to 210 MeV. To provide options for control of emittance growth due to coherent synchrotron radiation (CSR), the chicane has variable R56. The central pair of dipoles is movable, accommodating variable R56 with less concern about emittance dilution from nonuniformity of the dipole field. The symmetry of the chicane is also variable via longitudinal motion of the final dipole, which is predicted to have an effect on emittance growth. Following the chicane, a three-screen emittance measurement system should permit resolution of the difference in emittance growth between various chicane configurations. A vertical bending magnet analysis line is present to permit imaging of correlations between transverse and energy coordinates. This paper reviews the features and expected performance of the chicane. A companion paper discusses the physics design in detail. Work supported by the U.S. Department of Energy, Office of Basic Energy Sciences, under Contract No. W-31-109-ENG-38.

연구 동기 및 목표

• 120 nm에서 FEL 운영을 위해 전자 빔 전류를 100 A에서 600 A 이상으로 증가시킬 수 있는 빔 압축기 설계
• 가변 R56 및 조절 가능한 치케인 대칭성을 통해 Coherent Synchrotron Radiation (CSR)로 인한 에미턴스 증가를 완화
• 에미턴스, 빔 길이, 에너지-공간 상관관계를 포함한 빔 품질 특성 분석을 위한 정밀한 진단 기능 제공
• 높은 빔 품질과 낮은 에너지 스프레드를 확보하는 안정적이고 반복 가능한 LEUTL FEL 운영 지원
• 초단파 빔 및 1 GeV로의 에너지 업그레이드를 위한 향후 연구를 위한 플랫폼 제공

제안 방법

• 가변 R56를 위해 중앙의 2개의 디폴드(B2/B3)를 횡방향으로 이동시켜 0에서 -65 mm까지 R56 조절이 가능한 4단극자 치케인 사용
• 최종 디폴드(B4)의 종방향 이동을 통해 B3-B4와 B1-B2 사이의 거리 비율을 1.0에서 2.0으로 조절함으로써 치케인 대칭성 제어
• 다중 구성에서의 에미턴스 증가를 고해상도로 해석할 수 있도록 이중 확대 비디오 이미징 플래그를 갖춘 3스クリーン 에미턴스 측정 시스템 구현
• 치케인 후단에 수직 스펙트로미터 자석을 설치하여 x–δ 상관관계를 이미징함으로써 CSR 및 웨이크필드 효과 분석
• 15 µm의 단회 측정 해상도를 갖춘 빔 위치 모니터(BPMs)를 사용해 빔 중심 및 안정성 모니터링
• 시간 및 주파수 영역에서의 빔 길이 측정을 위해 Coherent Transition Radiation (CTR) 진단 장치 및 동기광 방출 포트 활용

실험 결과

연구 질문

• RQ1 치케인 내에서 가변 R56가 고전류 전자 빔에서 Coherent Synchrotron Radiation (CSR)로 인한 에미턴스 증가에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 특히 B3-B4와 B1-B2 사이 거리 비율을 변화시킬 때 치케인 비대칭성이 CSR에 의한 에미턴스 증가에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 가변 R56와 대칭성 조절의 조합이 CSR 효과를 효과적으로 완화하여 LEUTL FEL의 빔 품질 요구사항을 충족시킬 수 있는가?
• RQ4 CSR 효과는 빔 전류가 증가함에 따라 어떻게 스케일링되는가? 특히 600 A를 초과할 경우, 이 압축기 설계는 이러한 영역을 지원할 수 있는가?
• RQ5 진단 시스템이 치케인의 다양한 구성에서 빔 매개변수(에미턴스, 빔 길이, 에너지 스프레드)의 차이를 어느 정도 정밀하게 해석할 수 있는가?

주요 결과

• 모의 실험 결과, CSR로 인한 에미턴스 증가가 최대 40%까지 예측되며, 이는 빔 품질 향상의 주요 과제로 지목됨
• R56를 0에서 -65 mm까지 가변 제어하고, B3-B4 대비 B1-B2 거리 비율을 1.0에서 2.0으로 조절 가능한 치케인 대칭성 제어 기능 구현
• B3 및 B4에서 굽힘 각도를 감소시킨 비대칭 구성에서 CSR 효과 감소에 약간의 이점이 나타나며, 600 A를 초과하는 전류 영역에서 더욱 뚜렷한 이점 예측됨
• 3스クリーン 에미턴스 진단 시스템은 다양한 치케인 구성에서의 에미턴스 증가 차이를 고정밀도로 해석하도록 설계됨
• 15 µm의 단회 측정 해상도를 갖춘 빔 위치 모니터(BPMs)를 도입하여 빔 안정성 및 중심 위치 모니터링 보장
• 120 nm에서 FEL 운영을 지원하며, 목표 빔 길이 0.55 ps (Δt80), 600 A에서의 정규화된 에미턴스 5 µm, 에너지 스프레드 < 0.15% 달성 가능