Transcript 高分解能空洞型ビーム軌道傾きモニターの設計開発 (M2 岡本 大典)

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）
モチベーション
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
BPM
BPM
ΔX‘
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
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。
空洞
weak
strong
電場
磁場
ビームパイプ
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
no excited
傾きを持つビーム
excited
モノポールモードエネルギー∝ θ2
信号取り出し
モノポールモードの磁場を取り出す
電場
磁場
スリット
モノポールモードの磁場が“滲みだす”
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
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
V[volt]
100nrad
3e-6
V0[volt]
1.2e-4
V0
2e-6
V0対傾き角θ
1e-6
8e-5
0
-1e-6
4e-5
-2e-6
Time [s]
-3e-6
0
4e-7
8e-7
1.2e-6
傾き角θ[urad]
0
ただし、傾き角の正、負が判断できない
-4
-2
0
2
4
位相から判断する
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
3e-6
2e-6
[volt]
3e-6 [volt]
2e-6
正の傾き
1e-6
1e-6
0
0
-1e-6
-1e-6
-2e-6
-2e-6
負の傾き
Time [s]
Time [s]
-3e-6
0
4e-7
8e-7
-3e-6
0
1.2e-6
4e-7
8e-7
正と負で、振動の位相が９０度変化するため、識別可能
1.2e-6
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
励起エネルギー 大
共振周波数2.856GHz
カットオフ周波数 2.2GHz
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
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
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
期待できる性能
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
熱ノイズ
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]
期待できる性能: 35
軌道傾き[nrad]
nrad
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
タイムスケジュール
10月
機械加工
ろ
う
付
け
11月
イ
コールドン
テスト ス
ト
ー
ル
12月
～
9月
ビームテスト
プロトタイプは１０月に完成予定
コールドテスト
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
ビームテスト
ATF2ビームラインー原理と性能のテスト
1ポートRF測定のシミュレーション
RF
基本パラメータの確認
S11
RF(高周波)に対するS11（反射振幅）
をみる
S11(反射振幅比)
周波数2.856GHz
QL =2536
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
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
変形
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
ビームテスト
ATF2のビームライン上流にて
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
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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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
ωU
P=
Q
P:消費電力 U:モードエネルギー
ω:周波数
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
全体
1
QL
=
1
Qwall
+
1
Qext
QL のデザイン値: 2700
300nsec を振幅の時定数に
ILCバンチ間隔
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