Transcript Local correction

ILC Final Focus を考える
訂正版
2014.02.26
久保浄
ILC Final Focus を考える
• ILC BDS (Beam Delivery System) の概要
– TDR (Technical Design Report) から +a
•
•
•
•
衝突点でのビーム
Final Focus Optics
Final Focus のビーム調整
ATF での Final Focus Test
Beam Line Layout of BDS
Final Focus
MPS coll: Machine Protection System Collimators
Main Linac – BDS で aperture が小さくなる。
Skew correction / emittance diagnostics:
4 skew quadrupole magnets
4 laser wires (4 horizontal + 4 vertical beam size)
Laser wire test at ATF extraction line, resolution 1 um
Laser wire monitor tested in ATF extraction beam line
L. Nevay, et.al.,
IPAC2011
TUPC158
Resolution ~ 1 micron or smaller
L. Nevay, et.al., ATF meeting 18th May 2012
L. Corner, et.al,. ATF2 project meeting 11th Jan 2012
Polarimeter
Laser光をビームと正面衝突させる
光の偏光を切り替える
Compton 散乱でエネルギーの下
がった e+, e- を観測する
Tune-up and Emergency
Extraction System
Fast kicker: 問題が発生した時、以降のバンチをdumpに蹴り出す。
polarimeter, emittance diagnostics のBPMでenergy, orbit のずれを検出
 以降のバンチを蹴りだす （下流に行ってしまうもの 1~2バンチ）
バンチ間隔550ns
Pulse magnet
ビームパルス間(200 ms)でon-off
Tuneup dump
上流のtuning 時などにもここのdumpにビームを捨てる
Full power beam に対応
Beam sweeper
Collimation
Betatron collimation
6 - 9 sx
40 - 60 sy
half-gap
~1/0.5 mm
Energy collimation
half gap 0.5 - 1 mm
hx 150 mm
Betatron collimation
Energy collimation
Collimation:
Spoiler - Absorber
Absorber
Spoiler
Absorber: 30 X0
Spoiler: 0.5-1 X0
ビームのコアが当たっても2 バンチまで耐えられる
Gap adjustable Spoiler
TDR
Copper ?
Beryllium ?
Beam
Taper for reducing wakefield
Gap adjustable Spoiler
B.D. Fell, et.al., EPAC08, Genoa, Italy, WEPP168
Muon suppression
Collimator で発生したミュー粒子が測定器に入るのを防ぐ。
衝突点の上流 330 m に鉄の壁を作る。
コイルに電流  1.5 T の磁場。
長さ 5 m。 19 m まで増強可能なトンネルを用意。
TDR
Muon suppression
A.I. Drozhdin, et.al., PAC07, Albuquerque, THPMN100
Crossing angle （交差角）
交差角（水平方向）が大きい方が望ましい理由
• 衝突後のビームを安全に捨てるため
• 衝突後のビームの性質を測定するため
交差角（水平方向）が小さい方が望ましい理由
• Detector の不感領域が小さくなる（超前方だけになる）
ILC design： 交差角14 mrad.
そのままではルミノシティ減少  Crab Crossing
交差角
電子
陽電子
16
Crossing angle and crab crossing
luminosity reduction, if
 sx sz
crossing angle 
(2 mrad in ILC)
h. kick
Crab crossing
kick
l. position
kick
17
Luminosity vs. Crossing angle
without crab (RDR param)
1.2
1
For Rigid Bunch,
ILC RDR parameter, by CAIN
L/L0
0.8
1 1  s z / s x 2 / 2
0.6
0.4
0.2
0
0
0.002
0.004
0.006
crossing angle (rad)
0.008
0.01
Crab Cavity
TDR
Extraction line
IP
Dump
Final Doublet + Extraction Quadrupole magnets
Final Quadrupole magnet + Sextupole magnet
+ Extraction Quadrupole magnets
QD0 : コイルを２つに分割
製作精度の向上（ID ~20 mm, Total L~ 3.5 m）
低エネルギー運転でIPに近い方を強くできる
TDR
Final Quadrupole magnet + Sextupole magnet
+ Extraction Quadrupole magnets
TDR
衝突後のビームの測定
TDR
ビームダンプ
TDR
TDR
Beam parameter at IP (Interaction Point)
TDR
TDR
RDR (Reference Design Report)
Beam Parameters at IP for 250 GeV Ebeam
• Vertical normalized emittance 35 nm
(20 nm in DR)
• Horizontal normalized emittance 10 um (5.5 um in DR)
• Betay* = 0.48 mm (bunch length 0.3 mm)
– Hourglass effect, reasonable stability requirement, etc.
– Far from Oide limit betay*~ 0.015 mm
• Betax* = 11 mm
– Beam-beam
• Beamstrahlung energy loss 4.5%
• Disruption parameter (vertical) 25
ILC beam (bunch) at IP
Extremely small vertical size
（1:80:50000）
length~300 mm
Particles/bunch 2x1010
hight~6 nm
width~470 nm
Beam direction
640 nm in RDR nominal
Hourglass effect
- Focal depth of Beam Focusing
Focal point
Stronger focus
 smaller size at focal point
 shallow focal depth
33
Short focal depth
Long focal depth
s *x, y   x, y  x*, y
Hourglass effect： Maximum luminosity:
bunch length ~ focal depth.
Need low emittance for high luminosity.
生出リミット
Radiation in the focusing magnet
Uncertain energy loss
 uncertain orbit downstream
Quad magnet
Stronger focus  More uncertainty
 Larger beam size
*2
*
* 5/ 2
Normalized emittance 35 nm
 Optimum beta* ~ 0.015 mm
ILC design 0.48 mm
far from Oide-limit
s

    A 

*
optimizing  * , s min
  5/ 7
RDR (nominal)  TDR でのパラメータ変更
バンチ数・パルスを半減 (2600  1300)
•Main Linac のコスト減
•そのままではルミにシティ半減  衝突点で頑張ってルミノシティを維持した
い（維持できる）
衝突点でのパラメータ変更
•水平 * 20 mm  11 mm
– ビームサイズ 640 nm  470 nm、 beam-beam force 増大
•垂直 g 40 nm  35 nm、 上流での error tolerance が厳しくなる
Beam-beam force の影響の例： Beamstrahlung
ee+
• beamstrahlung makes energy spread in collisions. Affect quality of
experimental data.
• beamstrahlung parameter

Average
energy
loss
relative
to
design
beam
energy
r
N
g, g

:
Lorentz
factor,
s
:
bunch
length


s
s

s
BS
3
2
e
2
* *
zx y
z
RDR (nominal): 2.4%  TDR: 4.5 %
扁平なビーム
扁平なビームを選ぶことの簡単な説明
ルミノシティ
N
L

n
ave * *
4
s
sy
x
ビーム・ビーム
32
r
N
g
e
32
r
N
g
e

2
2


BS
* *
*


s
s

s
s
s
z x y
zx
Large L and small BS
*
*
s

s
y
x
Expressions for luminosity
L  nave
 *y  s z
s *y
N
4s x*s *y
  *y y
 BS 
hourglass effect
re3 N 2g
*2
s zs x
beamstrarlung
re3 / 2
 BS
L
nave
4
g y
Luminosity can be a function of three parameters:
number of colliding particles per time
emittance and
beamstrahlung energy loss
ビーム・ビーム力の効果 - 2
ビーム粒子が相手のビームにより横方向の力を受ける
•相手のビームの中心に引き寄せられ、ルミノシティ増大
– Luminosity enhance
•横方向に大きく蹴られる（２つのビームの相対位置がずれた場合等）
– Luminosity enhance 減少?
– 衝突後のビームが大きく広がり測定器へのバックグラウンドを作る
TDR
RDR nominal
Geometric Luminosity
(E34 cm-2s-1)
0.75
1.2
Simulated Luminosity
1.8
2.0
Vertical Disruption
Parameter
24.6
19.4
2
r
s
N
e
z
D

x
,y
g
(
s

s
)
s
x
y
x
,y
Disruption parameter とは (大雑把な話)
粒子が相手のバンチの中心付近を通過中の運動方程式
d2y
Ky
0
2
ds
y
Disruption parameter: K にバンチ長の２乗を掛けたもの
2
D

K
s
y
z
Dy <<1 の場合、 Dy はバンチ長を焦点距離で割ったもの
D
s
y
zf
Dy > 1 の場合、
f
D
は衝突中の振動の回数
y 2

D

2
n
y
period
ビーム位置、角度のずれによるルミノシティ低下
1.2
1.2
RDR nominal
TDR
Rigid bunch
1
RDR nominal
TDR
1
ECM 500 GeV
ECM 500 GeV
L/L(y'=0)
L/L 0
0.8
0.6
0.8
0.6
0.4
0.4
0.2
0
0.2
0
1
2
3
y offset (sigma-y)
4
5
0
1
2
3
4
5
y angle (sigma_y')
TDR パラメータでは、RDR nominal よりもエラーに対する許容度が厳しい
y offset
y angle
正面衝突
正面衝突
正面衝突
正面衝突
正面衝突
正面衝突
正面衝突
正面衝突
正面衝突
位置のずれ1-sigma
位置のずれ1-sigma
位置のずれ1-sigma
位置のずれ1-sigma
位置のずれ1-sigma
位置のずれ1-sigma
位置のずれ1-sigma
位置のずれ1-sigma
位置のずれ1-sigma
Wake field によるバンチの変形の影響
（バナナ効果）
A, 理想的な衝突
B, バンチ全体が一様に大きい
C, バンチ先頭と後方での位置のずれ (Wakefield)
B と C ではエミッタンスが同じでも衝突の様子が違い、ルミノシティが異なる
Wake field によるバンチの変形の影響
ECM500GeV
vertical size growthof one beam
1
0.8
L/L 0
0.6
0.4
TDRwake, head-head
RDRwake, head-head
TDRwake, center of mass
TDRwake, zeromeandeflection
TDRuniformsize growth
0.2
0
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Beamsize ratio(rms size / s )
y,0
Wakefieldによるビームサイズ増大（head-tail の位置のずれ）の影響は、
一様なビームサイズ増大よりも大きい。
Wakefield による変形 head-head
Wakefield による変形 head-head
Wakefield による変形 head-head
Wakefield による変形 head-head
Wakefield による変形 head-head
Wakefield による変形 head-head
Wakefield による変形 head-head
Wakefield による変形 head-head
Wakefield による変形 head-head
Wakefield による変形 重心 - 重心
Wakefield による変形 重心 - 重心
Wakefield による変形 重心 - 重心
Wakefield による変形 重心 - 重心
Wakefield による変形 重心 - 重心
Wakefield による変形 重心 - 重心
Wakefield による変形 重心 - 重心
Wakefield による変形 重心 - 重心
Wakefield による変形 重心 - 重心
Wakefield による変形 重心 - 重心
Wakefield による変形 重心 - 重心
Final Focus Optics
Final doublet
vertical
horizontal
Final doublet – 衝突点
のビームサイズ （RDR nominal と TDR パラメータ）
Vertical size RDR
Vertical size TDR
-5
0.0008
810
0.0007
710
0.0006
610
0.0005
510
0.0004
410
0.0003
310
0.0002
210
-5
-5
-5
-5
-5
-5
SF1 QF1
SD0 QD0
-5
110
0.0001
0
0
-10
-8
-6
-4
s (m)
-2
0
Vertical beamsize(m)
Horizontal beamsize (m)
Horizontal beamsize RDR
Horizontal beamsize TDR
ビームを小さく絞るために
Final Q (lens) でのビームサイズを大きくする
Focal point
s
*

s
L
*
y
y
'
ほぼ平行なビーム small
s
y
'
y
s
s
invariant
y
y
':

large
s
y
焦点距離
L*
Final Focus Optics
• Chromaticity Correction
Chromaticity correction
エネルギーの違いによる収束点のずれ
Energy spread  衝突点でのビームサイズ増大
Final doublet の影響が大きい
H-Dispersion のある場所に６極磁石を置くことで、キャンセルさせる
Geometrical aberration が発生 (Energy に依らない位置の広が
り。 H emittance)
Geometrical aberrationを消すように６極磁石を追加する
（６極磁石を２つ置くことで、Geometrical aberration を消しながら、
Chromaticity を作ることができる）
Global correction
Chromaticity のみを発生させる領域を別に作る
Chromaticity 1
Chromaticity 2
Mainly for x
Mainly for y
最終収束４極磁石
Chromatic aberration
衝突点
Chromaticity
1/2
同じ強さの6極磁場を対称に置くこ
とでChromaticity を作り、
Geometrical aberration は消える
hx
1
2
６極磁石
６極磁石
垂直、水平方向のchromaticity
Transfer
Matrix


I
correction のため、２組必要
h

h
x
,
1
x
,2
FF optics with global chromaticity correction
Chromati
city 1
Chromati
city 2
P. Raimondi and A. Seryi, PRL Vol. 86 3779 (2001)
Local correction
Final Q の隣に６極磁石を置き、Chromaticity を補正する。
発生したGeometrical aberration等は上流で補正
６極磁石
Geometric Correction
６極磁石
Chromatic Correction
最終収束４極磁石
Geometric Aberration 発生
Chromatic aberration 発生
衝突点
~n
~n
Chromaticity Cancel
Horizontal Dispersion
FF optics with local chromaticity correction
(ILC TDR)
Chromatic, Geometrical
Aberration correction
Final Doublet
+ Chromaticity correction
IP
６極磁石中心でのエミッタンス、ディスパージョンの
ビームサイズへの寄与 （mm）
sqrt(xx)
hxsE/E
electron
positron
SF6
755
0
0
SF5
755
85
46
SD4
482
54
29
SF1
718
203
109
SD0
383
108
58
sqrt(yy)
30
30
50
30
47
各部のChromaticityへの寄与
Quadrupole magnets
Sextupole magnets
4
5000
1.5 10
x
y
4
0
1 10
-5000
5000
x
y
4
-1 10
0
4
-1.5 10
-5000
QD0
QF1
Quadrupole
All Others
SD0
SF1
SD4
Sextpole
QD0 の寄与を SD0 でほぼ打ち消しているが、
完全に「Local」というわけではない
SF5
SF6
Local Correction Global Correction の比較
Local Correction の方が
Energy Acceptance が大きい。
2001 Report on the Next Linear Collider:
A report submitted to Snowmass '01
http://www-project.slac.stanford.edu/lc/wkshp/snowmass2001/
Local correction: beam halo が小さい
Final Q 入り口での粒子の分布
P. Raimondi and A. Seryi,
PRL VOLUME 86, NUMBER 17, p3779
設計通りにできれば、Local Correction の方が性能が良い。
Chromaticity Correction： Global と Local の比較
利点
•
ビームラインを短くできる。
•
エネルギーの許容値が大きい。
•
ビーム tail が少ない
採用
しかし、調整が複雑？
• Optics の対称性がない
• １個の６極磁石が水平、垂直両方向に効く
• 衝突点で水平角度 dispersion がある
hx'9mrad

hx'sE/E12
mrad
 x/x 31
mrad
Global Correction は1994年にSLAC のFFTB（Final Focus Test Beam )で 既に
試験されている。
ATF2 でLocal Correction を試験
Final Focus Line で発生するEnergy Spread は
Chromaticity Correction が効かない
Dispersion を作り始める Bend の中とその下流で発生するenergy 変化
 Position = Dispersion x Energy deviation という関係が崩れる
Energy change << 1/ Chromaticity of Final Q ~ 1/10000
でなければならない。
1
/*
~
1E

4

Roughly estimated energy spread induced by each effect
Space charge
7E-11
Resistive wall wake
1.1E-5
Incoherent SR
1.5E-5
Coherent SR
< 1.3.E-6
Crab cavities wake
1E-6
Cavity BPM wake
1.4E-5**
copper coated stainless
steel beam pipe
Weak bending magnets
~ 0.04 T
**ATF2 cavity BPM design assumed.
Can be reduced by careful design.
Final Focus Opticsの課題
Final focus の設計には改善の余地がある？
•RDR -> TDR で衝突点でのビームパラメータが変更された（水平ビームサ
イズ減少）が、それに伴う最適化は十分でない可能性がある。
•Extraction Line optics (Loss の低減)
– RDR nominal よりも Disruption が大きく、粒子が大きく広がる。
– RDR LowP よりは小さいのでOK???
•、、、、
ILC レヴュー委員会での奥木氏報告より
ILC レヴュー委員会での奥木氏報告より
Y. Nosochkov, et.al., “ILC EXTRACTION LINE FOR 14 MRAD
CROSSING ANGLE” SLAC-PUB-11591
Conclusion: “ . .. . . . The tracking simulations showed that the losses of
primary electrons and BS photons are acceptable in the considered
nominal and high-L options except the 1 TeV CM high-L option (c25)
which should be excluded from consideration. . . . . . . . .”
~RDR
nominal
~TDR
RDR  TDR でのパラメータ「変更」について
RDR では、パラメータは一つではなく幅を持たせていた。
TDR パラメータはRDR “nominal” とは異なるが、RDR ”parameter space” の中に
入っている。検討していなかったわけではない
Final Focus Optics について
「解がないとは思われないが、最適化はされていない」
という状態か？
Optics の変更は、建設後でもできる。はず？
衝突点でのビームサイズ調整
• Beam Based Alignment
• ほとんどの磁石は精密な可動台の上に置かれる
• Ｏｐｔｉｃｓ 補正、Dispersion 補正
• 上流のビームサイズモニター
初期の調整手順について後述
• BPM
• ビームサイズ調整ノブ
垂直ビームサイズ調整ノブ：
sextupole magnets (on movers) の位置と強さ
Corrected coupling
Linear knob
（線形オプティク
ス調整）
Horizontal move of
sextupole magnets
Vertical move of sextupole
magnets
yy’
(Focal Position)
Ey
(Dispersion)
x’y
Non-linear knob
Strength change of
sextupole magnets
x’yy’
Eyy’
BDS で仮定されている（許されている）エラー
衝突点でのビーム位置調整
Orbit Feedback
• Inter-pulse feedback （繰り返し５Hz）
– 軌道を測定して次のパルスを補正
– RTML, Main Linac, BDS にそれぞれ設置
• Intra-pulse feedback (bunch to bunch、バンチ間隔550 ns)
– バンチの軌道を測定し、次のバンチを補正
– パルスの先頭バンチのルミノシティは小さいが、後続のバンチは補正できる
ので全体のルミノシティは保たれる。
– 衝突点、BDS 入り口に設置
パルス間（0.2秒）の変動による衝突点でのビーム位置の変化は、垂直方向
のビームサイズより大きいと予想される
 パルス内でのfeedbackが必須（前のバンチを測って後続バンチを補正）
衝突点でのIntra-pulse feedback
相手のビームの角度を変えて相対位置を合わせる
図：ILC-TDR
相手のビームに蹴られたことによるずれを測定
（衝突時のビーム間の力により、相対的な位置のずれ
があると重心が蹴られて角度を持つ）
相手のビームに蹴られることによる角度変化
vs. 相対ビーム位置のずれ (垂直方向)
Deflection angle vs. offset at IP
（for RDR nominal parameter）
0
<y'> (mrad)
-50
-100
-150
-200
-250
-300
0
10
20
30
40
50
60
70
y/sy
位置のずれがビームサイズの 約
30 sigma までは単調な関数
 最初に30 sigma (160 nm) 以
内で合っていれば補正できる
2 nm (~0.3 sigma) のずれで約20
mrad の角度変化 を引き起こす
 数m先で数十 mm の精度で
ビーム位置を測ればよい
Ground motion model A,B,C,K を使ったシミュレーション例
(TDR PaｒｔI p162)
Model C ではルミノシティが１０％程度減少する。
ほとんどの影響はBDSで発生する。
TDR
Ground motion model A,B,C:
International Linear Collider Technical Review Committee, Second Report, SLAC-R-606, 2003.
Luminosity of head bunch is small
Orbit feed back recovers luminosity
Scan angle etc.
searching higher luminosity
Beam Stabilization at ATF-EXT
ー Intra-train Fast Feedbackー
FONT
feedback
EXT-FONT by stripline BPM, result 2014/Jan
- latency ~133 ns
ILC bunch spacing
550 ns (nominal)
550/2 ns (upgrade)
Feed backの速さ
は問題ない
Slide from Terunuma
FONT group, slide from Terunuma
衝突点での Tuning の手順 について
One Beam での Tuning
•衝突点でのビームサイズ、ビーム位置は測定できない
– ビームサイズ： ルミノシティモニター
– ビーム相対位置： Beam – beam kick
•上流でのビーム測定、エミッタンス調整、optics 調整に頼らなければならな
い
•測定可能なルミノシティと beam-beam kick が得られる程度まで調整しな
ければならない。
– シミュレーションと各部の性能の整合性の確認が必要。
•衝突点でのビームサイズモニター ＋ 測定器と独立なQD0 は不要か？
– QD0 （final Q-magnet）は測定器と一体
– 測定器なしでのTuning 手順の確認、練習が必要ではないか？
QD0 + SD0
+ QDEX1
beam
“push pull”
beam
衝突点での Tuning の手順 2
Two Beam でのTuning 第一段階
•ビームサイズ大
（＞ パルス間の位置の変動）
までの調整
– 多数のパルスでビーム位置をスキャンし、「最大Luminosity」 を測定
– ビームサイズを調整する knobで上の「最大Luminosity」を最大にする。
– このスキャンの間 knob 以外の影響によるビームサイズの変動は十分小
さくなければならない。 (Final Focus 直前までの beam lineでのfeedback
等)
パルス間の位置の変動を小さくすることで、比較的容
易なこの段階でのビームサイズを小さくできる。
Final Doublet の位置変動（許容値 RMS 50 nm）
Final Fucus の他の４極磁石の位置変動（許容値 RMS 10 nm）
をできるだけ小さくすることは。
衝突点での Tuning の手順 ３
Two Beam でのTuning
•ビームサイズ小
第二段階
（< パルス間の位置の変動）。
•e+ e- ビームの相対位置はパルス間で変動する。
•位置のずれの測定にはbeam-beam 力によるkickがなければならず、ビームの大き
さがある程度絞られている必要がある。
•調整困難に見えるが、ビームサイズは時間的に安定していると期待できるので、
Luminosity をpulse内の小さな部分毎に測定可能であれば調整できる
– Pulse 内でビームの位置を変化させ、最大の luminosity からビームサイズ
を推定する。
– この「最大luminosity」が 最大になるようにビームサイズを調整
Luminosity
ビームサイズが安定していること
短時間のLuminosity を精度よく測ることが重要
詳細な手順は未確立
Relative position (in one pulse)
Luminosity
Max. Luminosity
Beam position scan
Beam size knob change
Max. Luminosity
Beam size knob
Fast Luminosity monitor
The ILC luminosity can be measured with a precision of 10−3 or
better by measuring the Bhabha rate in the polar-angle region
from 30–90 mrad. Two detectors are located just in front of the
final doublets. The LumiCal covers the range from 30–90 mrad
and the BeamCal covers the range from 5–30 mrad. At 500 GeV
centre-of-mass energy, the expected rate in the LumiCal region
is 10 Bhabhas per bunch train, which is too low to permit its use
as an intra-train diagnostic for tuning and feedback. At smaller
polar angles of 5-30 mrad the rate or energy deposition of
beamstrahlung e+e− pairs can be measured and provides a fast
luminosity diagnostic. The expected rate in this region is 15 000
pairs (and 50TeV energy deposition) per bunch crossing.
Furthermore, the spatial distributions of pairs in this region can
be used to determine beam-collision parameters such as
transverse sizes and bunch lengths.
SiD forward region (from TDR)
ILD forward region (from TDR)
衝突点でのビーム調整 の手順について
• 「解はあると思われるが、手順が確立しているわけではない」という状態?
• 速いLuminosity Monitor が必須
– （数10バンチ毎に数％の精度で測定？）
• ビームサイズが安定していることは必須
• 位置変動を抑えることが重要。調整が楽になる（短時間でできる）。
ATF での Final Focus Test (ATF2)
• Achievement of 37 nm beam size (Goal 1)
– Demonstration of a compact final focus system based
on local chromaticity correction
• Control of beam position (Goal 2)
– Demonstration of beam orbit stabilization with nanometer precision at the IP
• Establishment of beam jitter controlling techniques at the
nano-meter level with an ILC-like beam
Accelerator Test Facility (ATF) at KEK
Focal Point
Extraction Line
IP; ~40 nm beam
Final Focus Test Line
ATF Damping Ring (140 m)
Photo-cathode RF Gun
ATF Linac (1.3 GeV)
ILC FF
ATF2 FF
ILC と ATF2 の電磁石の許容値の比
較
電磁石の強さの誤差の許容値
電磁石の設置位置誤差の許容値
ILC
ATF2
横軸は電磁石の名前
ILC と ATF2の電磁石は
同じ役割、名前である。
電磁石の回転設置誤差の許容値
電磁石の振動の許容値
By T. Okugi
ILCとATF2の電磁石の許容誤差はほぼ同じである。
ビーム調整： 垂直ビームサイズ調整ノブ
5 sextupole magnets (on movers) ：位置と強さ
4 skew-sextupole corrector magnets：強さ
Corrected coupling
Linear knob
（線形オプティク
ス調整）
Horizontal move of
sextupole magnets
Vertical move of sextupole
magnets
yy’
(Focal Position)
Ey
(Dispersion)
x’y
Non-linear knob
Strength change of
sextupole magnets
x’yy’
Strength change of skew
sextupole magnets
xxy
Eyy’
Exy
EEy
yy’y’
焦点でのビームサイズ測定
Shintake-monitor, （IP-BSM）
Interference of two laser beams
電子ビームとの散乱で発生する
ガンマ線の量を測定
h

2 sin( / 2)

Example
g 線強度
Fringe scan
Fringe phase
Scan interference fringe position.
Measure modulation.
Example of tuning knob scan
調整ノブの値を変え、Modulation を測定 （Modulation 大  ビームサイズ小）
Modulation 最大になるところにセット
Status of Goal 1
History of measured beam size
350
300
Dec 2010
250
200
150
100
50
0
Earth Quake
Measured minimum
beam size (nm)
400
Feb-Jun 2012
Dec 2012
Goal
Feb-Apr 2013
Modulation
Modulation
With 30 deg. mode
With 2~8 deg. mode
Modulation
With 174 deg. mode
No significant improvement in the period from autumn 2013 to Jan. 2014,
which was mostly for IPBPM commissioning.
December 2012: first observation of fringe with 174 deg mode （<70 nm）
2013 winter - spring: Establish tuning procedure, better result (60-65 nm）
(Only with low bunch intensity)
Results of 10 consecutive measurements after tuning
2012 Dec.
2013 March
2012/12/21
4
sy = 72.8+/-5.1
3
2
1
0
50
60
70
80
90
Evaluated beam size [nm]
These histograms do not consider systematic error of the beam size monitor.
Intensity Dependence
0.8
example
April 26, 2013
May 21, 2013
Modulation
0.7
Modulation
 2 2s y2 

 cos exp  
2


h


0.6
0.5
  30 
0.4
0.3
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
q (Bunch Charge) (nC)
Different in different weeks. (?)
Fitted lines:
s y2  s y2,0  w2q 2
w  100 nm/nC, 140 nm/nC
Cannot be explained by intrabeam scattering in DR, etc..
Beam size depend on bunch Intensity
Transverse wakefield ?
•Cavity BPM
– 計算に依れば影響は小さいはず
•Bellows, Gaps, Vacuum port, etc.
– 計算はあるが精度は問題。ビームとの相対位置の推定が難しい。
•Cavity BPM、Bellows を可動台に載せて実験
– 計算とより factor 1.5~2 強い（factor 2以内で合っている）
Longitudinal wakefield
•計算に依れば影響は小さいはず
他の原因？
ILC の場合は？（計算に入れていない重要なものがあるのか？）
設計ビームサイズになっていない、考えられる理由
• 非線形磁場
– 調整ノブで対応できていないもの
• 調整ノブが不完全？
• ６極磁場成分よりも高次の効果？
• Wake field (low intensity で問題になるほど強い？)
• Beam position jitter
見かけのビームサイズ増大
• ビームサイズモニターの系統誤差
上のどれもが重要かもしれない。
IP での high resolution BPM が使用できるよ
うになれば答えが出るはず。
• Control of beam position (Goal 2)
– Demonstration of beam orbit stabilization with nanometer precision at the IP
• Establishment of beam jitter controlling techniques at the
nano-meter level with an ILC-like beam
Beam Stabilization at ATF-EXT
ー Intra-train Fast Feedbackー
FONT
feedback
EXT-FONT by stripline BPM, result 2014/Jan
IP-FONT
- latency ~133 ns
by IP Cavity BPM
expected (from results in
EXT）
FB OFF: jitter 14.7 nm
FB ON: jitter 2.6 nm
?
Slide from Terunuma
FONT group, slide from Terunuma
IP nm beam position stabilize system
IP-FONT
– Monitor: Cavity BPM（designed resolution 2 nm）
– Stlipline BPMs (resolution 0.4 um) were used for the beam
test in EXT
Slide from Terunuma
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ATF2 Status
• 60 nm 程度のビームサイズを達成
– 当初の目標 37 nm までいっていない
– 強い Intensity dependence
– ビーム、モニター両者の調査、改善の努力を続けている
– ILC に関係する問題と関係ない問題がある
• Feedback による安定軌道
– 取り出しライン中流での実験は成功
– 焦点での nm レベルの安定化に進む
最後に
• 衝突点でのビームパラメータ、Final Focus Design には改善の余地が
ある
• 衝突点でのビーム調整手順
– より詳細な検討が必要
– Detector なしでのビーム調整は必要ないのか？
• ATF での実験の意味
– Final focus の実証： 計算に入れていない重要なものはないか？
– ビーム調整の手段、手順の実験的 simulation
– 人材の育成、activity 維持