[논문 리뷰] Wire Scanners for Small Emittance Beam Measurement in Atf

H. Hayano|ArXiv.org|2000. 08. 16.

Calibration and Measurement Techniques참고 문헌 2인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 가속기 시험설비(ATF) 감쇠링에서 1미크론 이하의 비드 에미ittance를 측정하기 위한 고정밀 와이어 스캐너 시스템을 제시한다. 50µm 및 10µm 금 도금 텅스텐 와이어 어레이를 사용하며, 0.5µm 해상도의 스텝모터와 방사선에 강한 매그네스케일 위치 센서를 활용하여, 수평 방향으로 2µm 이하, 수직 방향으로 0.3µm 이하의 비드 크기 해상도를 달성한다. 이로 인해 1.3 GeV에서 번치당 2×10⁹개의 전자로 εx = 1.3×10⁻⁹ m·rad 및 εy = 1.7×10⁻¹¹ m·rad의 정확한 에미ittance 측정이 가능해졌다.

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.

연구 동기 및 목표

• 미래 선형 충돌기 응용을 위해 필수적인 ATF 감쇠링에서 매우 작은 비드 에미ittance를 정밀하게 측정할 수 있도록 하는 것.
• 8–16µm 크기의 마이크론 스케일 수직 비드 크기를 고공간 해상도와 안정성으로 측정하는 도전 과제를 해결하는 것.
• 느린 스캐닝 속도에도 불구하고 수평 비드 크기(50–150µm)에 대해 2µm 이하의 해상도를 달성하는 것.
• 와이어 기울기, 비드 위치 진동, 비드라인 광학에서의 분산 효과로 인한 측정 오차를 최소화하는 것.
• 다중 와이어 스캐너를 사용하여 비드 강도 및 분산 조정을 통한 교차 검증을 통해 에미ittance 측정을 검증하는 것.

제안 방법

• 3차원 비드 프로파일 스캔을 위해 X축에 대해 45°와 10° 각도로 장착된 50µm 및 10µm 금 도금 텅스텐 와이어를 사용하는 双-와이어 스캐너 시스템.
• 0.5µm 해상도와 0.1µm 재현성으로 동작하는 5상 스텝모터 스테이지가 약 500µm/sec 속도로 와이어 스캐너를 구동하며, 0.78Hz 비드 반복 주기로 제한된다.
• 외부 전자회로를 갖춘 방사선에 강한 매그네스케일 위치 센서는 100mm 이동 범위에서 0.5µm 해상도로 정밀하고 안정적인 위치 피드백을 보장한다.
• 비드 강도 변동은 비드 위치 측정기(BPM)의 강도 읽기로 와이어 신호를 정규화함으로써 보정되며, 이로 인해 비드 크기 측정 오차가 0.3µm 이하로 감소한다.
• 비드-와이어 상호작용에서 발생하는 감마선은 펄스형 빛 감지기(Cerenkov 검출기)를 통해 감지되며, Pb 변환기, 공기 빛가이드, 광전자 증폭기(PMT)를 거쳐, 노이즈를 줄이기 위해 캐비닛으로 보호된다.
• 비드 크기는 와이어 스캔 프로파일에서 유도되며, 와이어 직경(제곱 효과)과 투영된 이동 방향(예: X/Y 축에 대해 1/√2)에 따라 보정된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고반복, 저에미ittance 비드라인에서 50–150µm 수평 비드 크기의 경우 2µm 이하, 8–16µm 수직 비드 크기의 경우 0.3µm 이하의 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 비드 위치 진동(~4.4µm)은 와이어 스캐너 측정에 어떤 영향을 미치며, 고해상도 BPM으로 이를 보완할 수 있는가?
• RQ3 와이어 기울기, 비드 기울기, 분산(≤10mm)이 수직 에미ittance 측정 정확도를 얼마나 떨어뜨리며, 이를 어떻게 보정할 수 있는가?
• RQ4 비드 강도가 측정된 에미ittance에 어떤 영향을 미치며, 왜 에미ittance 증가가 내부 비드 산산분열 효과에 비해 예상보다 크며, 이는 무엇을 시사하는가?
• RQ5 캘리브레이션된 와이어 각도와 안정된 운동을 갖춘 다중 스캐너 시스템이 2µm 이내의 불확도로 신뢰할 수 있는 에미ittance 측정을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 와이어 스캐너 시스템은 50–150µm 비드에 대해 수평 방향으로 2µm 이하, 8–16µm 비드에 대해 수직 방향으로 0.3µm 이하의 해상도를 달성하였다.
• 1.3 GeV에서 번치당 2×10⁹개의 전자로 측정된 에미ittance는 εx = 1.3×10⁻⁹ m·rad 및 εy = 1.7×10⁻¹¹ m·rad로, ATF 설계 목표를 충족시켰다.
• 고해상도 마이크로파 BPM을 사용해 비드 위치 진동을 2.4–4.4µm로 측정하였으며, 이는 BPM 해상도를 초월하지만 측정 오차 한계 이내였다.
• 스테이지 운동에서 0.5µm 해상도와 0.1µm 재현성을 달성하였으며, 55–771 Hz 클록 속도 범위에서 와이어 진동은 0.3µm p.p. 이하였다.
• 분산을 10mm 이하로 억제하는 것이 핵심이었으며, 10mm 분산은 6µm의 비드 크기 증가를 유발했고, 이는 수직 비드 크기와 유사한 수준이었다.
• 비드 강도 증가에 따라 에미ittance가 증가하는 현상이 내부 비드 산산분열 효과를 초과하여 나타났으며, 이는 설명되지 않은 증가로 추가 연구가 필요함을 시사한다.