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50kV-­‐3ns超高速２極-­‐４極キッカーの開発
中村 剛, 出羽 英紀, 安積 隆夫A), 小林 和生, 藤田 貴弘, 正木 満博, 鈴木 伸介, 佐々木 茂樹, 大熊 春夫 高輝度光科学研究センター A) 理化学研究所
第１１回　加速器学会年会　2014-­‐08-­‐11
超高速　２極-­‐４極 キッカー
バンチ毎（2ns間隔）　にキック (超高速）を ON/OFF
ダイナミックアパチャの狭いリングへの入射
２極 非常に狭い場合 On-­‐axis 入射 すべての RFバケットに 蓄積可能 On-­‐axis スワップ入射 (電流が低下したバンチの入替) ユーザー運転に十分な平均電流 ４極　（既存のものは無い）
数mm 程度
Off-­‐axis 入射 キックの影響を 入射バンチにのみに留める (磁石の場合は多くのバンチに影響 するので６極が使われる => 超大強度 ）
２極
リニアコライダのダンピングリングでの出射キッカー T. Naito, hCps://journals.aps.org/prstab/pdf/10.1103/PhysRevSTAB.14.051002 バンプキッカーの代替 (DAΦNE)　入射の影響 = キックを入射バンチに留める D. Alesini, hCp://indico.cern.ch/event/45580/session/5/contribuWon/275/material/slides/ ４極
既存リングに追加設置して振幅低減
時定数の短縮　：　ストリップラインキッカー キッカー長
L v = -­‐c
v = c
ビーム
がキッカー中ですれ違う電磁場は、 τ = 2 x L/c = 2L/c キックの時間構造は、この時間で電磁場を積分したもの デルタ関数入力でもこの時間幅のキックとなる
L =0.2m => τ =1.33 ns 超高速　２極-­‐４極　ストリップライン　キッカー
ストリップラインの駆動電圧、極性 => ２極-­‐４極切り替え
２極
断面形状
10mm25
10
mm
mm
拡大
ビーム位置
４極
垂直アパチャの低減による強いキック電磁場
拡大
リッジが電磁場の一様性を生成
Horizontal Electric Field [V/m]
キック電場の水平方向分布 L = 0.2m x 5台 = 1m キック電磁場 E = 6 GeV Ex + cBy = 11 MV/m (50kV) => 1.8 mrad
160
120
80
40
0
-40
-80
-120
-160
Dipole Kick (フラットトップあり）
VL = + 1V
VR = -1V
VR = 0V
Quadrupole
Kick
Injected beam
4 MV/m
for 50kV
-10
-5
0
5
Horizontal Position [mm]
VR = +1V
10
キッカーの駆動方法
手持ちは、　正パルス発生器　２台
２極キック
４極キック
ビーム
ビーム
ショート
極性反転
正パルス発生器
アンテナ
２極キック
ビーム
ショート
アンテナ
Antenna Voltage [arb. unit]
極性反転
4
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
-10
アンテナの信号
0
10
20
30 40
Time [ns]
50
60
70
セラミックス製サポート ストリップライン電極
50kV フィードスルー
支持、位置決め用 セラミックス製サポート
ビームラインに設置 N型ポート トラップモードダンパー キッカー内電磁場観測 キッカーの透過信号試験 (小信号）
入力パルスに対するキッカー出力の応答（劣化）を観測 0.4
Output
Input
Voltage [V]
0.3
0.2
300ps FWHM 0.1
0
Voltage [arb. unit]
-10
-5
0
5
10
Time [ns]
15
0.05
分配器
Input
Output
キッカー
25
キッカーの時定数
２ ｘ キッカー長/光速 キッカー長=0.2m Input
Output
0.1
0
-10
20
パルス 発生器 (81134A)
キック波形 (計算 = 1.3 nsの移動平均) -5
0
5
10
Time [ns]
15
20
25
出力の方が高い ? 分配器、ケーブル損失等の キャリブレーションが必要
大きな乱れは見られない キッカー構造、フィードスルー、セラミックスサポート　には問題なし
高電圧パルス試験 パルス発生器 FID 社　FPG 50-­‐01NKS2 仕様： 50kV、測定: 45kV ~ 50kV 入力に対する キッカーからの出力 2m ケーブル、　25m ケーブル (ビーム試験時) 45 kV (50kV) 問題なし
Output Voltage [x 20 kV]
2.5
2
2m cable
25m cable
1.5
1
ビーム試験時
75 % へ減衰する
0.5
???
0
-0.5
-5
0
5
10
Time/ns
15
20
25
30
ビーム試験のセットアップ ( 1GeV 線型加速器ビーム）
スクリーンモニタ(Ce:YAG)
キッカー
水平・垂直
ステージ
可変アパチャ
コリメータ
Beam
ビームを動かすかわりにキッカーを移動しキック分布を測定
可変アパチャビームコリメータ
左右２台のステッピングモーターで くの字型コリメータ（左右各３つ） を開閉する。
ビームをダイヤモンド型に削る 拡大図
開口の形状 サイズ可変
安積
ビームプロファイルモニタでのデータの一例
入力　ON
~ 12mm
入力　OFF
電子銃ゲート幅　５００ｐｓ　2-­‐3 バンチ　／　パルス
出羽
パルス発生器出力設定: 50kV 予想 : 34 kV
出力測定+ケーブル損失
Horizontal Electric Field [V/m]
キック測定 :　片側駆動 160
120
80
40
0
-40
-80
-120
-160
-10
Horizontal Kick Angle [mrad]
マーク　: 実験結果 破線 ：　計算 (45kV, 中心: -­‐0.6mm)
1.5
-5
0
5
Horizontal Position [mm]
コリメータ幅 +/-­‐ 0.75mm
1
0.5
0
-12
-8
-4
0
4
8
Horizontal Beam Position [mm]
12
10
キック測定 :　４極キック　( +, + ) パルス発生器出力設定 : +50kV, +50kV
予想 : +34 kV, +34kV Horizontal Kick Angle [mrad]
マーク　: 実験結果 破線 ：　計算 (+40kV, +40kV 中心: -­‐0.6mm)
1.5
1
0.5
20140424_Q-kick
コリメータ幅 +/-­‐ 0.75mm
0
-0.5
-1
-1.5
-12
-8
-4
0
4
8
Beam Horizontal Position [mm]
12
実験結果 :　２極キック (+, -­‐) パルス発生器出力設定：　+40kV (+側), +50kV ( -­‐ 側) 予想：　+27kV, ? (反射率、ケーブル損失不明） Horizontal Kick Angle [mrad]
マーク　: 実験結果 破線 ：　計算 (+32kV, -­‐35kV, 中心: -­‐0.6mm)
2
コリメータ幅 +/-­‐ 1mm
1.5
1
0.5
0
-12
キック場 (peak) Ex + cBy = 7.8MV/m
ばらつきは 予備電子銃 の調整不足 （主電子銃が故障）
-8
-4
0
4
8
Beam Horizontal Position [mm]
12
Hor. / Ver. Kick Angle [mrad]
水平、垂直キックの、垂直方向依存性
2
1.5
1
Horizontal Kick
0.5
0
-0.5
-1
-6
Vertical Kick
-4
-2
0
2
4
Vertical Beam Position [mm]
6
垂直キック： ビーム近辺ではフラットだが、それ以外の点で強度が大きい いろいろな仮定での計算を実施したが再現できず Horizontal Kick Angle [mrad] Horizontal Kick Angle [mrad]
キック時間構造測定 電子銃ゲート幅　５００ｐｓ 2-­‐3 バンチ　／　パルス
0.8
0.6
片側駆動
0.4
3ns
4ns
0.2
0
-4
-3
-2
-1
0
Time [ns]
1
1.5
0.5
3
4
パルス発生器の改造 の余地がある 4ns
0
-4
-3
-2
-1
0
Time [ns]
3ns (FWHM) 4ns (full) ２極キック
3ns
1
2
1
2
3
4
キック電磁場強度 7.8 MV / m を達成 これまでの２倍 (50kV 駆動時に換算すると、10MV/m ) 従来のキッカー
平行平板 強いキック電磁場 => 狭い水平アパチャが必要 本キッカー
垂直アパチャを低減 強いキック電磁場 => 水平アパチャの制限なし 電圧 キック電磁場 水平アパチャ(half) DAΦNE [1]
ATF [2] SPring-­‐8 45kV 10kV 40kV 45kV (E+B) 2.8 MV/m 25mm 3.9 MV/m 4.5 mm 7.8 MV/m 25mm (原理的な制限無） 8.8 MV/m [1] D. Alesini, hCp://indico.cern.ch/event/45580/session/5/contribuWon/275/material/slides/ [2] T. Naito, hCps://journals.aps.org/prstab/pdf/10.1103/PhysRevSTAB.14.051002
水平方向アパチャに制限がない
強いキックのための多段化が容易
On-­‐axis スワップ入射の新しい配置 キック力　０に設定可能
まとめ
* 時間幅　３−４　ns をもつ　２極 – 4極キッカーを開発 50kV での動作を確認 ビーム試験によりキック分布を測定 * 得られたキック分布は、計算値とくらべて キック分布の形状は合致 絶対値が２割ほど大きい * ２極キックのキック電磁場強度は、従来の２倍 * 原理的には水平アパチャへの制限はなし * 垂直キックの垂直方向依存性 ビーム近辺ではフラットだが、それ以外の点で 強度が大きい いろいろな仮定での計算を実施したが再現できず 残された課題 ブロードバンドインピーダンスの従来の装置との比較、低減 垂直キック分布の原因