rf電子銃を入射器に用いた極短パルスビーム の放射光リング...
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RF電子銃を入射器に用いた極短パルスビームの放射光リング周回実験計画
(財)高輝度光科学研究センター出羽 英紀
Contents
Introduction これまでの実験について SPring-8 RFgun & Linac Beam Line バンチ圧縮スキーム バンチ圧縮用加速空洞 同期回路 実験計画スケジュール
短バンチ放射光源
LINACSR
XFEL
ERL
Crab空洞Laser Slicing
等時性リングへの 短バンチ入射
パルスレーザとの同期が容易パルスレーザとの同期が容易多数の多数のBLBLで同時に利用可能で同時に利用可能
擬等時性リングでの 短バンチビーム蓄積
短バンチ放射光源の目的
フェムト秒X線光源 ---> pump&probe実験
大強度コヒーレントTHzの発生&利用
これまでのNew SUBARUでの短バンチ周回実験
実験方法 ・熱電子銃を使用 ・1GeVの電子ビームをLINACーNSビームトランス ポートの偏向電磁石でバンチ圧縮(1σ=2.2ps) ・等時性リング(New SUBARU)へ入射
実験結果 ・1σ < 3ps for 50 turns ・Bunch Charge : 24pC 電荷量は少ない電荷量は少ない
Demonstration Experiment
1. ECS cavity Energy gradient2. Linac-NS BT Magnetic compression 3. Streak camera Measure bunch length
NewSUBARU
Linac-NS BTEnergy Compression System (ECS)用加速管をエネルギーモジュレーション用に使う
Booster synchrotronSPring-8 Linac
ThermionicElectron Gun
20 400(m)
Bunch Length Measurement0
10
20
30
40
50Intensity (arb. unit)
Tim
e (p
s)
! = 5.1 ps
DataGaussian fit
1σ = 5.1 ps
0
10
20
30
40
5050 100 150 200 250 300
Intensity (arb. unit)
Tim
e (p
s)
! = 2.2 ps
DataGaussian fit
BW < 10ps1σ = 2.2 ps
バンチ圧縮後(9.8 MV/m)
Normal OperationParameters
ECS parametersOptimized
-0.4 -0.2 0 0.2 0.4In
tensi
ty(a
rb. unit
)!E/E (%)
Time profile at the initial turn in the ring
BW = 0.75%
Multi-turn Circulation
!
"L = (#1$ +#
2$ 2 +#
3$ 3 + ...)L
!
" = #E E(here )
αn : n-th momentum compaction factor
Energy dependence of path-length
NewSUBARU storage ring
Modified DBA
Invert Bend → possible to control α1
BM IB
・α1 =1.3×10-3 → ≈ 0 ・α2 = 0 (setting resolution ≈ 10-3)・α3 no control knob (α3 ≈ 0.5 )
Modified DBA
Bunch Length in Isochronous Ring
50 turns with σ < 3ps
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30
Turn number
Time(µs)
Bunch
len
gth
: !
(ps
)
0 25 50
" 1=0
" 1=-0.02!10-3
" 1=-0.06!10-3
" 1=1.3!10-3
" 1=-0.06!10-3
3 psinjection
2 psinjection
Optimum α1 =-0.06x10-3, <0.
Tracking simulation in the non-linear rf bucket
Beam occupancy at 50 turns after injection
RF電子銃の導入
目的‒ シングルバンチ‒ 短バンチ(数ピコ秒)ー>圧縮してフェムト秒でLINACへ入射‒ 低エミッタンス(<5πmmmrad)‒ 大電流バンチ(>1nC)
方法‒ 現在のRF電子銃テストベンチからビーム出射‒ 250MeVビームラインからLINACへ入射。‒ 1mエネルギーモジュレーション用加速管‒ 90度入射偏向電磁石によるバンチ圧縮
現状‒ ビームラインの設計開始‒ LINAC入射部ビーム軌道計算(バンチ圧縮含む)‒ エネルギーモジュレーション用加速管設計中‒ 同期方法検討中
NSNSへの入射への入射 入射 入射効率の改善効率の改善 大電流入射( 大電流入射(1nC1nC以上)以上) 短バンチ( 短バンチ(1ps1ps以下)以下) ΔΔEE//E < 0.E < 0.55%% 周回数 周回数>100 >100 を目指すを目指す
SPring-8 Photo-cathode RF gun
Thermionic Gun
20 400(m)
RF gun R&D room
Rf gunAccelerationstructure
10 ps
AccelarationAccelarationstructuresstructures
0.7 ps
To beTo beconstructedconstructed
SPring-8 RF電子銃の特徴
実績・長期安定レーザー --> 長期の利用運転可能 (1ヶ月以上)・3次元レーザ整形 --> 低エミッタンスビーム発生(1.4π@0.4nC)・高電界加速(MAX 190MV/m)・300fs以下の低ジッターレーザ&RF同期・低エミッタンスビーム測定(Qスキャン)
予定・リモート可動式ソレノイドレンズ・ホローレーザービーム入射・低エミッタンスビーム測定(マルチスリット)
!"""mm
線形加速器 RF電子銃入射ビームライン
!"#$%&'()*+,-
RF!"#$%&'()*
+(,-./
アクロマティックベンドを用いたバンチ圧縮
加速管(下流側)加速管(下流側)
偏向電磁石回転角 45度回転半径 1mエッジ角度 22.5度高速切り替えのため積層鋼板
加速管(上流側)
Q電磁石磁場長150mm
ビーム偏向部の電荷相互作用計算
3D-particle tracking 3D-particle tracking 計算計算
問題点問題点 遅延位置を計算するのに非常に時間がかかる。 遅延位置を計算するのに非常に時間がかかる。 粒子数2000個で35時間程度 粒子数2000個で35時間程度 遅延位置を計算しない場合には遅延位置を計算しない場合には40分で済む40分で済む
バンチ圧縮シミュレーション(1)
バンチ長 バンチ長 [email protected]@1.0nCバンチ長 バンチ長 [email protected]@0.2nC
UniformUniform分布分布 GaussianGaussian分布分布
バンチ圧縮シミュレーション(2)
パルス幅をさらに小さくするためにスリットをパルス幅をさらに小さくするためにスリットをQ電磁石の下流30cmに置いた場合Q電磁石の下流30cmに置いた場合
電荷量 電荷量 0.20.2nCnCΔΔE/E = 1% (E/E = 1% (スリット幅スリット幅3.5mm)3.5mm)の時の時
パルス幅パルス幅250fs250fs
電荷量 1nC電荷量 1nCΔΔE/E = 1% (E/E = 1% (スリット幅スリット幅3.5mm)3.5mm)の時の時
パルス幅パルス幅600fs600fs
さらに検討が必要さらに検討が必要
RMSエミッタンスRMSエミッタンス0.7-1.80.7-1.8ππ [email protected] [email protected]
RMSエミッタンスRMSエミッタンス1.4-2.41.4-2.4ππ [email protected] [email protected]
初期エミッタンスを0とした。初期エミッタンスを0とした。CSRによるエミッタンス増大を計算。CSRによるエミッタンス増大を計算。
バンチ圧縮シミュレーション(3)
3m加速管(加速ゲイン23 MeV) → 現在使用中
+
エネルギー変調管(dE=1MeV) → 新規製作
バンチ長10psのとき加速長0.6m, 電界勾配12MV/m →加速管としてはノーマル仕様でもOK
低暗電流加速管のプロトタイプとして製作 ↑
蓄積リングにおけるバンチ純度向上
・ ディスク部アイリス断面形状楕円化→表面電界強度低減・ 表面処理(RF電子銃空胴で実績のある化学エッチング法)
新RF電子銃ビームラインで使用される加速管
現行SPring-8 3m加速管
r = 54.2 MΩ/m
Es / Ea = 3.05
rb
ra
ra=2.5mmrb=4.0mm
r = 53.6 MΩ/m
Es / Ea = 2.69
エネルギー変調用 新1m加速管
表面電界強度10%減 → 暗電流~1/10(?)
アイリス断面形状楕円化による表面電界強度低減
RF電子銃とNSの同期
レーザー と LINAC2856MHz を同期
+
レーザー と NS499.9555MHz を同期
通常の運転でもRF電子銃を使うことを考慮に入れる通常の運転でもRF電子銃を使うことを考慮に入れる
NSのバンチとRFの関係
1 2 3 4 5
SRの周波数499.9555MHzの周期
2.0001780ns
ごとにバンチが198個並んでいる。
(198=2x32x11)
1.97ns198
197196
熱電子銃のトリガー信号、RF信号発生回路
NS 499.9555MHz リングカウンター i(1-198)
i:入射するバケット番号
ガントリガー iをset
AWG2856MHz(パルス)
89.25MHz(パルス)
X32逓倍器
フォトカソードRF電子銃ではこの手は使えないフォトカソードRF電子銃ではこの手は使えない
2856MHzをNS 499.9555MHzから作る(1)
!
FLINAC =m
nfNS!
fNS = 499.9555 MHz
!
Tsync =m
FLINAC=
n
fNS
n周期
m周期
で位相関係が戻る
周期Tsyncで同期がとれる。 ガントリガーのタイミング
!
Tsync
2856MHzをNs499.9555MHzから作る(2)
!
FLINAC =mNS
nNSfNS!
fNS = 499.9555 MHz
条件1 FLINACが2856MHzに近いこと条件2 mNSと198が互いに素 (互いに素でないと全てのバケットを埋められない)
以上を満たす整数 ( mNS, nNS) の組を探す
整数 mNS, nNS の最適値選び
mNS=9180, nNS=1607
!
FNS =9180
1607fNS = 2,855,999,614.088Hz
!
FNS =577
101fNS = 2,856,181,352.2376Hz
mSR=577, nSR=101
最適値1
最適値2
タイミング回路の実際1 トリガー生成
NS 499.9555MHz
リングカウンター 1/1607
0.31111107654 MHz
入射の基本クロック
リングカウンター i(1-198)
入射するバケット番号 i
ガントリガー
iをset
タイミング回路の実際2 2856MHz RF生成
NS 499.9555MHz
リングカウンター 1/1607
0.31111107654 MHz
入射の基本クロック
2856MHz発振器/9180分周 レーザーOSC同期回路
Phase Lock
Ti-Saレーザー
RF 2856MHz32逓倍
実験スケジュール
2009年3月 モジュレーション用加速管完成
2010年3月 入射ビームライン完成 2010年5月 NS入射実験開始
まとめ
SPring-8 RF電子銃からの高輝度短パルス電子ビームを等時性リングNewSUBARUに入射し、短バンチビームの周回実験を行う計画である。
CSRを考慮に入れたビームシミュレーションコードを開発し、現在バンチ圧縮設計を進めている。
バンチ圧縮用のエネルギーモジュレーション用1m加速管の設計を進めている。この用途とは別に高電界&低ダーク電流を狙っている。
NSとLINACおよびレーザーの同期回路を検討している。
NSへの入射
250MeV地点からの入射なので LINAC出口でのエネルギーは750MeV程度。 ー>NSでaccept可能
休止加速管を全て運転する等すれば、 ----> 約900MeVまで電子ビームの加速が可能
NSの改良
電磁石の電源の安定度を向上させる。
8極電磁石を導入し、3次の項を補正できるようにする。