[论文解读] 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 9

一句话总结

本文提出了一套高精度丝扫描系统，用于在加速器测试设施（ATF）阻尼环中测量亚微米量级束流发射度。该系统采用50µm和10µm金镀钨丝阵列，配合0.5µm分辨率的步进电机及抗辐射Magnescale位置传感器，实现了水平方向低于2µm、垂直方向低于0.3µm的束流尺寸分辨率，可在1.3 GeV能量和每束团2×10⁹个电子条件下，精确测量发射度εx = 1.3×10⁻⁹ m·rad和εy = 1.7×10⁻¹¹ m·rad。

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.

研究动机与目标

• 为未来直线对撞机应用所必需的ATF阻尼环中极小束流发射度的精确测量提供支持。
• 解决在高重复频率、低发射度束流线中对微米量级垂直束流尺寸（8–16µm）实现高空间分辨率和稳定性的测量挑战。
• 尽管扫描速度较慢，仍实现水平束流尺寸（50–150µm）低于2µm的分辨率。
• 最小化因丝倾斜、束流位置抖动及束流光学系统中色散效应引起的测量误差。
• 通过多个丝扫描仪进行测量并结合束流强度与色散调谐进行交叉验证，以确认发射度测量结果。

提出的方法

• 双丝扫描系统采用50µm和10µm金镀钨丝，分别以45°和10°角相对于X轴安装，实现三维束流剖面扫描。
• 采用5相步进电机导轨，具有0.5µm分辨率和0.1µm重复性，驱动速度约为500µm/sec，受限于0.78Hz的束流重复频率。
• 采用抗辐射Magnescale位置传感器并配备外部电子装置，实现100mm行程内0.5µm分辨率的精确稳定位置反馈。
• 通过将丝信号归一化至BPM束流强度读数，对束流强度波动进行校正，将束流尺寸测量误差降低至<0.3µm。
• 通过契伦科夫探测器（含铅转换器、空气光导管和PM T）检测束流-丝相互作用产生的伽马射线，屏蔽设计以降低噪声。
• 束流尺寸由丝扫描剖面推导得出，已对丝直径（二次效应）及投影运动方向（如X/Y轴为1/√2）进行修正。

实验结果

研究问题

• RQ1 丝扫描系统是否能在高重复频率、低发射度束流线中，对50–150µm的水平束流尺寸实现低于2µm的分辨率，对8–16µm的垂直尺寸实现低于0.3µm的分辨率？
• RQ2 束流位置抖动（约4.4µm）对丝扫描测量有何影响？是否可通过高分辨率微波BPM实现抑制？
• RQ3 丝倾斜、束流倾斜及色散（≤10mm）在多大程度上降低垂直发射度测量精度？如何进行校正？
• RQ4 束流强度对测量发射度有何影响？为何发射度增长超过预期的束内散射效应？
• RQ5 通过校准丝角度和稳定运动的多扫描仪系统，是否可实现不确定度低于2µm的可靠发射度测量？

主要发现

• 该丝扫描系统对50–150µm束流实现了低于2µm的水平束流尺寸分辨率，对8–16µm束流实现了0.3µm的垂直分辨率。
• 在1.3 GeV能量和每束团2×10⁹个电子条件下，测得的发射度为εx = 1.3×10⁻⁹ m·rad和εy = 1.7×10⁻¹¹ m·rad，符合ATF设计目标。
• 通过高分辨率微波BPM测得的束流位置抖动为2.4–4.4µm，虽超过BPM分辨率，但低于测量误差阈值。
• 系统在导轨运动中实现了0.5µm分辨率和0.1µm重复性，丝振动在55–771 Hz时钟频率下小于0.3µm p.p.。
• 将色散抑制至<10mm至关重要；10mm色散导致束流尺寸增加6µm，与垂直束流尺寸相当。
• 随着束流强度增加，发射度增长超过由束内散射预测的值，表明存在未解释的增长，需进一步研究。