高分解能ビーム軌道傾きモニターの設計開発

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1 高分解能ビーム軌道傾きモニターの設計開発
目次 ・基本原理 ・デザイン ・期待できる性能 ・ビームテスト（今年冬） ・まとめ 東北大理 　　　岡本大典 本田洋介（KEK） 佐貫智行（東北大理）

2 モチベーション ΔX ΔX‘ 一点における軌道傾きのデータ ILCでは、ナノレベルのビーム制御が必要
強い最終収束の過程において、軌道傾きの情報は有用 通常 ΔX ΔX‘ BPM BPM 傾きモニターはビーム軌道の傾きを一台にて測定する 一点における軌道傾きのデータ

3 基本原理 空洞型ビームモニターは、空洞内に起きる共振モードを利用する。 モノポールモードはビームの傾きに依存して励起される
電場 磁場 ビームパイプ 空洞 weak strong 　モノポールモードはビームの傾きに依存して励起される 傾き０ビーム 傾きを持つビーム no excited excited モノポールモードエネルギー∝ θ2

4 信号取り出し モノポールモードの磁場を取り出す スリット 導波管 フィードスルー 振幅∝θ モノポールモードの磁場が“滲みだす”
電場 磁場 モノポールモードの磁場が“滲みだす” スリット 他のモードの混入を空間的に抑制 導波管 TEモードにて取り出された磁場を伝搬 フィードスルー 同軸ケーブルへ取り出す 振幅∝θ

5 V0 信号について 取り出された信号の振幅V0が傾きに比例する 信号の生波形 V0対傾き角θ V0[volt]
3e-6 2e-6 1e-6 -1e-6 -2e-6 -3e-6 4e-7 8e-7 1.2e-6 V[volt] Time [s] 100nrad 1.2e-4 8e-5 4e-5 -4 -2 2 4 V0[volt] 傾き角θ[urad] V0 ただし、傾き角の正、負が判断できない 位相から判断する

6 位相測定 GHzの信号をミキサーを用いて周波数変換、位相を測定する 50MHz 正の傾き 負の傾き
3e-6 2e-6 1e-6 -1e-6 -2e-6 -3e-6 4e-7 8e-7 1.2e-6 [volt] Time [s] 3e-6 2e-6 1e-6 -1e-6 -2e-6 4e-7 8e-7 1.2e-6 -3e-6 [volt] 正の傾き 負の傾き Time [s] 正と負で、振動の位相が９０度変化するため、識別可能

7 デザインコンセプト センサー空洞 導波管 スリット フィードスルー 周波数は、S-band BPMに合わせて2.856GHzを選択
励起エネルギー　大 センサー空洞 共振周波数2.856GHz カットオフ周波数 2.2GHz 導波管 共振モードが干渉しないようにサイズ調整 他のモードの混入を抑制 エネルギー取り出し効率を決める スリット フィードスルー TEモードシグナルを完全に取り出す 周波数は、S-band BPMに合わせて2.856GHzを選択 周波数チューナーを取り付ける

8 プロトタイプデザイン 本体（銅） 周波数チューナー フィードスルー センサー空洞 導波管 フランジ RFパラメータ 周波数（モノポール）
2.856GHz Q0(空洞壁) 10000 Qext(フィードスルー) 3500 Loaded Q(全体) 2700 RFパラメータ

9 期待できる性能 熱ノイズ 空洞型のビームモニターの感度は熱ノイズによって制限される PTN = KBTΔf
出力電圧[W]∝θ２ 温度(T) 帯域幅(Δf)から決定 PTN = KBTΔf 熱ノイズ 室温 300[K] 帯域幅 ～3MHz PTN =1.24×10-14 [W] 軌道傾き[nrad] 期待できる性能: 35 nrad

10 設計図 発注済み　　９月末に機械加工が終了予定 本体部サイズ 100×169×60 [mm] 高富俊和＠KEK

11 ～ タイムスケジュール ろう付け インストール プロトタイプは１０月に完成予定 9月 10月 11月 12月 機械加工 ビームテスト
コールドテスト 機械加工 ビームテスト プロトタイプは１０月に完成予定 １ポートRF測定ー周波数やQ値の測定 周波数チューナー コールドテスト ビームテスト ATF2ビームラインー原理と性能のテスト

12 QL 1ポートRF測定のシミュレーション 基本パラメータの確認 =2536 周波数2.856GHz
S11 RF(高周波)に対するS11（反射振幅）をみる S11(反射振幅比) QL　　　 =2536 周波数2.856GHz 周波数(GHz) 実機ではネットワークアナライザーを用いて同様のテストを行う

13 製作誤差と周波数チューナー 製作誤差・・・ 10um以下（各面） →周波数への影響・・・最大で±２MHz 20mm 空洞壁の１部分を変形して
詳細な周波数の調整 チューナの差し込み長を変化させることで、微小な周波数調整が可能

14 ビームテスト ATF2のビームライン上流にて Extraction line 原理の確認 オフセットやフィードスルーの調整
IP-BPM Extraction line 原理の確認 オフセットやフィードスルーの調整 キャリブレーション（性能の評価） Q-BPMからのデータと比べて、軌道傾きに対する応答を見る

15 まとめ １つのモニターにてビーム軌道傾きを測定する傾きモニターを設計した プロトタイプの期待性能は35nradであり、１０月に完成する
コールドテストにおいて、基本パラメータの測定と調整を行う ATF2のビームラインにて、原理の確認と性能評価をする PLAN フライトシミュレータにて、測定値に対するビーム軌道制御の研究

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17 BACKUP ωU P= Q QL 1 Qwall 1 Qext 1 = + Q値 共振モードの１振動消費エネルギーを表す特性係数 全体
ω:周波数 P= Q フィードスルーを通して、取り出されるエネルギー以外にも、空洞壁でもエネルギーは消費される QL 1 Qwall 1 Qext 1 = + 全体 QL のデザイン値: 2700 300nsec を振幅の時定数に ILCバンチ間隔

18 BACKUP