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　740-740-750fs@1.0nC750fs@1.0nCバンチ長　バンチ長　290-640fs@0.2nC290-640fs@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 mmmrad@0.2nC mmmrad@0.2nC

ＲＭＳエミッタンスＲＭＳエミッタンス1.4-2.41.4-2.4ππ mmmrad@1.0nC mmmrad@1.0nC

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。