ATF2 のビーム調整 2010 / 2 / 1 LC 技術検討会 奥木敏行 2010/2/1 ATF2のビーム調整

ATF2ビームライン ILC の最終収束ビームラインの試験施設 特徴 Local Chromaticity Correction 形式のビーム光学系を使用している。 ILC と同程度の電磁石の設置精度、振動許容値になっている。 最終収束ビームラインの全てのBPMは空洞型BPMを使用している。 最終収束ビームラインにはcorrector 電磁石がなく、 　ビーム軌道調整は電磁石ムーバーでおこなう。 2010/2/1 ATF2のビーム調整

Local Chromaticity Correction 水平方向の色収差の補正 垂直方向の色収差の補正 Global Chromaticity Correctioon Local Chromaticity Correctioon 色収差を上流の特定の補正エリアで補正する 色収差を色収差が発生する電磁石の側で補正する 　ビームラインが短くできる。 　エネルギーのアクセプタンスが大きくとれる。 　ビームテールが小さい。 　L* が大きくとれる。 特徴 2010/2/1 ATF2のビーム調整

Simulation による２つの補正方法の比較 エネルギーアクセプタンスの比較 ビームテールの比較 2010/2/1 ATF2のビーム調整

ビーム調整方法の比較 Global Chromaticity Correctioon 水平方向の色収差の補正 垂直方向の色収差の補正 Global Chromaticity Correctioon Local Chromaticity Correctioon 垂直、水平両方向のビームサイズ調整は、 　独立な電磁石を使ってできる。 衝突点には h , h’ がない。 FFTB で試験された経験がある。 垂直、水平両方向のビームサイズ調整は、 　同じ電磁石を使っておこなう。 衝突点には h は無いが、 h’ がある。 ATF2で初めて試験される。 2010/2/1 ATF2のビーム調整

Local Correctioon形式のビーム光学系の調整の仕方 六極電磁石のムーバーを使って、焦点位置、dispersion、xy coupling 、 および、高次の収差を補正する。 ILC での衝突点でのビームサイズのTuning knob 電磁石の設定が正しくないと、 各 tuning knob が独立に働かない。 Local Correction は、Global Correction よりも利点は沢山あるが、 初めから独立な電磁石を使っている Global Correction よりも調整自体は難しい。 2010/2/1 ATF2のビーム調整

ATF2 ビームライン ATF2のビームラインは、ILC と同じ電磁石の配置をしている。 L* / by* = 10000 L* / by* = 10000 ATF2でのビーム調整方法も、ILC と手法でおこなわれる。 2010/2/1 ATF2のビーム調整

ATF2の各電磁石の誤差の許容値 電磁石強度誤差の許容値 電磁石の振動強度の許容値 電磁石の回転方向の設置誤差の許容値 電磁石位置の設置誤差の許容値 2010/2/1 ATF2のビーム調整

Cavity Beam Position Monitor 全ての軌道調整は電磁石ムーバーで、BPM は Cavity BPM を使っている。 2010/2/1 ATF2のビーム調整

ATF2 の2009年の運転報告 ATF2 2nd Stage 2009 2010 2011 2012 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 2009 Fast Kicker bx*=80mm by*=10mm -IP-BSM, Cavity BPM commissioning Optics Study FONT (at test stand) 2010 Optics Test bx*=40mm by*= 1mm bx*=4 - 40mm by*= 0.1mm FONT, IP-BPM (at test stand) Beam size minimization -IP-BSM commissioning 2011 ATF2 2nd Stage Beam size study ( jitter subtraction with IP-BPM ) Pulse to pulse feedback ( slow feedback ) Stabilization study with FONT (EXT) 2012 2010/2/1 ATF2のビーム調整

2009年の運転 IP-BSM 測定器へのバックグラウンドの問題と六極電磁石を使用することによる複雑さを考慮して、 ATF2 のビーム光学系は High Beta Optics ( bx*=80mm, by*=10mm ) を使用した。 Normal Optics High Beta Optics マッチングセクションの電磁石の設定を変える。 他の電磁石の設定は、デザイン通り。 2010/2/1 ATF2のビーム調整

Beam Tuning in Extraction Line Orbit tuning Dispersion correction at Matching Section Coupling minimization with WSs in EXT line Emittance measurement at EXT line Matching to post-IP WS Vertical beam size minimization at post-IP WS Set the final doublet to focus to IP Beam size measurement by IP-BSM 2010/2/1 ATF2のビーム調整

Skew quadrupoles for Correction We have 6 skew quadrupoles in ATF2 beamline. 4 skew correctors for coupling correction at dispersion free region 2 skew quads for vertical dispersion correction (QS1X, QS2X) at high horizontal dispersion region 2010/2/1 ATF2のビーム調整

Vertical Dispersion Correction Method When we apply the sum-dispersion correction knob, only small betatron coupling is generated by the vertical dispersion correction with skews. QS1X QS2X ------- ------- βx = 9.005 9.005 αx = -9.192 9.192 ηx = 0.203 -0.203 βy = 102.805 102.805 αy = -41.677 41.677 Δμx = - 7.710 Δμy = - 173.207 kl/klmax = 0.121 0.121 residual = 0.0001 3rd ATF2 project meeting (2007) M.Woodley 2010/2/1 ATF2のビーム調整

Black: Dispersion and coupling can be corrected within strength limit. Red: Dispersion can but coupling cannot be corrected within strength limit. No mark: Dispersion cannot be corrected within strength limit. 1, Dispersion correction using QS1X and QS2X 2, Dispersion correction using Orbit bump (ZV5,6,7X)) and QS1X and QS2X 2009 / 7/ 1 ATF2 weekly meeting, K.Kubo 2010/2/1 ATF2のビーム調整

Dispersion correction Result The vertical dispersion correction was applied with QS1X, QS2X sum-knob, and ZV5X, ZV6X and ZV7X local bump. Dispersions were evaluated with 2 methods. 1) Delta-f ramp in DR 2) Orbit jitter analysis SVD matrix The results are consistent each other. Orbit jitter analysis SVD matrix Delta-f ramp in DR Vertical dispersion for all ATF2 beam line is corrected within 10mm. Large horizontal dispersion at the end of straight line (500mm) sometimes exists. 2010/2/1 ATF2のビーム調整

Emittance Measurement in Extraction Line (05/28) Horizontal Emittance 1.7nm Sum knobs QS1X - 0.42A QS2X - 0.42A QK1X - 5.11A QK2X 0.00A QK3X 0.00A QK4X 0.00A Vertical Emittance 0.011nm 2010/2/1 ATF2のビーム調整

Beam Tuning in Final Focus Beam Line Orbit tuning Dispersion correction at Matching Section Coupling minimization with WSs in EXT line Emittance measurement at EXT line Matching to post-IP WS Vertical beam size minimization at post-IP WS Set the final doublet to focus to IP Beam size measurement by IP-BSM Sreen Monitor in IP Wire Scanner is located to 40cm downstream of IP (MWPIP) 2010/2/1 ATF2のビーム調整

Beam Size Measurement at post-IP wire scanner (05/15) beam waist at IP QF1FF = 70.84A QD0FF = 130.33A beam waist at MW1IP QF1FF = 66.87A QD0FF = 105.24A sx* = 11.4mm sy* = 4.1mm sx = 74.3mm -> sx* = 7.0mm sy = 20.4mm -> sy* = 0.5mm (If ax=0, ay=0 at IP, ex=1.3nm, ey=28pm) Design Beam Size at IP sx* = 10.1mm sy* = 0.53mm Horizontal beam size was consistent with the design. 2010/2/1 ATF2のビーム調整

IP tuning (December 2009 ) We minimized the vertical beam size to be 1.5um at post-IP with carbon wire scanner. Beam size measurement with Carbon wire 2010/2/1 ATF2のビーム調整

Beam Size Measurement at IP Orbit tuning Dispersion correction at Matching Section Coupling minimization with WSs in EXT line Emittance measurement at EXT line Matching to post-IP WS Vertical beam size minimization at post-IP WS Set the final doublet to focus to IP Beam size measurement by IP-BSM 2010/2/1 ATF2のビーム調整

Horizontal Measurement at 2009 Spring run First Compton signal was observed at February. Beam size and emittance measurement was done at May. - horizontal beam size at MW1IP was 20mm. - laser beam size 10mm assumed. fitted horizontal emittance was 2.5nm. laserwire mode optics (horizontal measurement) 2010/2/1 ATF2のビーム調整

2009 Summer Shutdown ○新しいIPターゲットを導入 Laser beam size measurement Prepare knife edge target to make 10mm laser spot at IP Electron beam size measurement Attach10mm tungsten wire at the tip of the holder to make 1mm beam size at IP - Laser-laser collision for all laser mode - Electron-laser collition Prepare 2 screen monitor ○ Final Doublet のRealignment ○ BUMP BEND チャンバーの口径を広げる。 2010/2/1 ATF2のビーム調整

Beam Operation at 2009 Autumn Run Elecrtron beam size tuning and Laser –beam collision is easy with new target. Signal was increased by the factor 4 with new intense laser. Noise was reduced by the factor 1/10 by various hardware improvements. In 2009 spring run In 2009 autumn run Laser was focused at IP, and the laser spot size was around 20um. The measured beam size by the laser wire mode was 20um. 2010/2/1 ATF2のビーム調整

Observation of the Fringe Pattern ( Interference Mode ) Elecrtron beam size tuning and Laser –beam collision is easy with new target. The first observation of the fringe pattern is 2009/11/13. The beam test at 2009/11/13 is the first trial of the fringe pattern observation in the 2009 autumn beam operation period. The fringe pattern is measured by changing the path length of one laser. 2010/2/1 ATF2のビーム調整

Beam Size Evaluation Fitting Max/Min uses sinusoidal function for fitting and obtain modulation depth from fitted parameters has tendency to underestimate the modulation Max/Min uses maximum and minimum data only to calculate the modulation depth has a tendency to overestimate the modulation Min Evaluated beam size were larger than wire scanner measurement for both methods. 2010/2/1 ATF2のビーム調整

現在考えられる Systematic Error Crossing angle estimation Degradation of the fringe visibility Power and size imbalance between two laser beams Temporal coherence Spatial coherence Displacement from the laser waist Laser polarization Beam position, laser phase jitter Tilt of the interference fringe PMT linearity これらを理解して、正しいビームサイズ測定へと繋げていく必要がある。 2010/2/1 ATF2のビーム調整

2010年1月の運転 2009年秋の運転で、従来のHigh beta optics ( beta_x* = 80mm, beta_y* = 10mm )で、 IP-BSM 測定器のバックグラウンドレベルが問題にならなくないことがわかった。 今後は、仮想焦点でのビームサイズを、更に絞りたい。 　- 最低限の要求は、六極電磁石を使用した場合と、しない場合で差が出る程度(100nm以下)。 　- 六極電磁石ムーバーを使った従来のビームサイズ調整の試験を進めたい。 2010年の春まで、どの程度絞って運転できるかを調べるためのバックグラウンド試験をおこなった。 1st Optics beta_x* = 4mm ( design ) beta_y* = 0.1mm ( design ) sigma_x* = 3um sigma_y* = 37nm 2nd Optics beta_x* = 40mm ( design x 10 ) beta_y* = 0.1mm ( design ) sigma_x* = 10um sigma_y* = 37nm 3rd Optics beta_x* = 40mm ( design x 10 ) beta_y* = 1mm ( design x 10 ) sigma_x* = 10um sigma_y* = 100nm 2010/2/1 ATF2のビーム調整

バックグラウンド試験の結果 1st Optics; beta_x* = 4mm ( design ) beta_y* = 0.1mm ( design ) Background level was 20 times larger than IP-BSM requirement. 2nd Optics; beta_x* = 40mm ( design x 10 ) beta_y* = 0.1mm ( design ) Background level was within the IP-BSM requirement. Beam size tuning was too difficult ( for large aspect ratio ? ) After the beam size minimization, - background was increased. - vertical beam size at post-IP screen monitor was increased. - 3rd Optics; beta_x* = 40mm ( design x 10 ) beta_y* = 1mm ( design x 10 ) Background level was within the IP-BSM requirement. Beam size tuning was easy to 2nd optics. 2010年2月からの運転では、3rd Optics を使うことにした。 2010/2/1 ATF2のビーム調整

今後のスケジュール ATF2 2nd Stage 2009 2010 2011 2012 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 2009 Fast Kicker bx*=80mm by*=10mm -IP-BSM, Cavity BPM commissioning Optics Study FONT (at test stand) 2010 Optics Test bx*=40mm by*= 1mm bx*=4 - 40mm by*= 0.1mm FONT, IP-BPM (at test stand) Beam size minimization -IP-BSM commissioning 2011 ATF2 2nd Stage Beam size study ( jitter subtraction with IP-BPM ) Pulse to pulse feedback ( slow feedback ) Stabilization study with FONT (EXT) 2012 2010/2/1 ATF2のビーム調整

2010年2月から夏まで 目標 : IP-BSM で 100nm程度のビームサイズを測定する。 bx*=4cm (design x 10 ), by*=1mm (design x 10 ) のビーム光学系から始める。 　（仮想衝突点でのビームサイズは、sx*=9um, sy*=100nm ） IP-BSM をビーム調整に使えるようにする。 1. IP-BSM 自体のシステマティックを理解する。 2. ビームサイズ調整に利用する。 2-1. 初期のビームサイズ調整をビーム調整グループがおこなう。 2-2. ビーム調整グループが測定してほしい条件のリストを測定グループに渡す。 2-3. ビームサイズ測定グループがリストに示された条件の測定をおこなう。 3. IP-BSMをビームサイズ調整グループが使えるようにする。 六極電磁石をONして、六極電磁石を使ったビームサイズ調整をおこなう。 IP-BSM, FONT, IP-BPM 等、各種studyを並行して進める。 b* を小さくしたときのバックグラウンド源を同定する。 IP-BSM, ATF2 ビームラインの双方の commissioning が終わったら、 ２週間程度のビームサイズ調整に特化したビーム運転をおこなう予定。 2010/2/1 ATF2のビーム調整

2010年夏のshutdown 2010年10月から12月まで 目標 : IP-BSM で 37nm程度のビームサイズを測定する。 2010年秋から design に近いビーム光学系で運転できる準備をする。 2010年春までの運転の経験から、IP-BSM の改善作業を進める。 2010年10月から12月まで 目標 : IP-BSM で 37nm程度のビームサイズを測定する。 bx*= 4 - 40mm (design x 10 ), by*=0.1mm (design ) のビーム光学系を使う。 　（仮想衝突点でのビームサイズは、sx*=3-9um, sy*=100nm ） 当初数週間は、IP-BSM のバックグラウンドを考慮して bx*の設定値を決めながら、 IP-BSM, FONT, IP-BPM 等、各種studyを並行して進める。 ２週間程度のATF2のビームサイズ調整に特化したビーム運転をおこない、 　設計値の垂直方向ビームサイズを実現する。 2010/2/1 ATF2のビーム調整

2011年2月から6月まで 目標 : 37nm程度のビームの安定運転をおこなう。 IP-BPMをIP-BSMの脇(-5cm)にインストールする。 　 -IP-BPM の要求は resolution 10nm、dynamic range +/- 30um ( IP-BSM への最初の要求と最低限のインストール時期 ) -IP-BPM は現在、+/-10umのdynamic range で 8.5nmの分解能を実現。 -仮想焦点から5cm離れたところでのビームサイズは15um。 Pulse to pulse feedback でビーム位置の長期安定化をおこなう。 FONT ( intra-train feedback ) は、おこなわない。 2010/2/1 ATF2のビーム調整

ATF2 2nd Stage ビームの安定度, IP-BPM, Fast kicker の結果で、進め方が変わってくる。 IP-BPM (+/-10umのdynamic range で 2nmの分解能が実現できたとして) 　- IP-BSMと共存するには、マルチバンチで1/2 s 以内の ビーム安定性が必要。 -時間分解能が300ns以下にできれば、IP-BSM をFONT に使える。 IP-BSM 測定器 　- 時間分解能を300ns以下に出来れば、個々のバンチのビームサイズを測定できるので、 　　現在のキッカーの3 train 取り出しモードでも、FONT で、2バンチ目、3バンチ目の位置を 　　安定させれば、位置の安定化と、マルチバンチのビームサイズ測定を同時に出来る。 Fast kicker -　IP-BSM の測定器の分解能が300ns以下にならなかったときでも、Fast kicker が使えれば、 IP-BSM で測定できる重ね合わせたビームプロファイルに１バンチ目の影響は少ないので、 焦点位置の安定化と、焦点でのマルチバンチのビームサイズ測定が同時に出来る。 これらの条件により、IP-BSM を残して、IP-BPM を仮想焦点から少し離れたところに置くか、 IP-BSM を取り払って、IP-BPM を仮想衝突点に置くかを決める。 2010/2/1 ATF2のビーム調整