SACLA(XFEL/SPring-8)における バンチ時間構造診断用 高電磁

SACLA(XFEL/SPring-8)における
バンチ時間構造診断用
高電磁界Cバンドデフレクターの開発
惠郷 博文
（財）高輝度光科学研究センター
2012/3/16 KEKセミナー
1
内容
•
SACLA時間構造診断システム開発目標
•
Ｃバンドデフレクター
•
製作・試験
•
時間構造診断結果
2
開発目標
SPring-8 Angstrom Compact free electron LAser
X線レーザー増幅に必要なバンチ
Ip
3
kA 30 fs
ε
1πmm・mrad
フェムト秒領域のバンチ時間構造・圧縮状態の把握
高電磁界RFデフレクターによる診断システムを構築
3
bypass
0.5 MeV
1A
1 ns
30 MeV
50 A
3 ps
C-バンド加速管 × 104
RFデフレクター
（BC３）
第３磁気バンチ圧縮器
C-バンド加速管 × 24
（BC２）
第２磁気バンチ圧縮器
S-バンド加速管 × 8
（BC１）
第１磁気バンチ圧縮器
C-バンド補正加速管
L-バンド APS 空胴 × 2
CeB6 電子銃
チョッパー
238MHz バンチャー
476MHz ブースター
L-バンド補正空胴
SACLA加速部構成
bypass
0.4 GeV
0.6 kA
300 fs
8 GeV
3 kA
30 fs
1.4 GeV
3 kA
30 fs
電子バンチの圧縮
複数段サブハーモニック加速空胴
断熱速度変調による電子集群
＋
3段の磁気バンチ圧縮器
（BC１∼３）
=
3 kA
30 fs
BC３後方でデフレクター設置・時間構造の確認
バイパスラインを用いて中間圧縮状態も確認可
4
RFデフレクター
横方向に加速電磁場を発生させるRF空胴
バンチの重心 → ゼロクロス位相
・バンチの重心移動なし
・バンチ前後を逆方向キック
・ドリフト中、横方向に伸張
・スクリーンでバンチを観測
・射影像分布から進行方向時間構造を解析
5
RFデフレクターへの要求性能
設置スペース 10 m
200 fs
加速管 < 5 m
ドリフト長
5m
> 1 mm
pzc = 1.4 GeV
フェムト秒領域の解析
射影率 < 200 fs /mm ＋
分解能 < 10 µm スクリーンモニター 6
射影率 < 200 fs /mm
l
VT
Δy
σz
Ld
ゼロクロス位相
!a = 0, "
eVT Ld
eVT Ld
l!
ka! z " cos " a ! ±
ka! z
cpz
cpz
eVT Ld
eVT Ld
!y "
sin ! a "
!a
cpz
cpz
・高い周波数：伸びが良い → Cバンド利用
・位相エラー等に影響されない
・Δy-φaの関係よりVT測定
必要電圧 VT ＞ 40 MV
7
Cバンドディスクロード型ダイポール後進波加速管
セル結合アイリス＝レーストラック型
5712 MHz HEM11-y 5π/6 モード
y
z
x
RAIDEN空胴 1/4カット図
RAIDEN
Racetrack-shaped iris-coupling deflection structure
8
HEM11-y 後進波
セル中央：水平磁場(TM) アイリス部：垂直電場(TE)
B
E
ビーム
9
レーストラック型セル結合アイリス
HEM11ダイポールx、yモードの分離
縮退を解いて偏向面の固定
ｘ方向に磁場を持つモードの結合度が
大きくなる。
高電磁界化
アイリス部の高電界化
高過ぎてもダメ（アイリス表面での放電）
重心移動させないのでCバンド利用可
高い群速度
5π/6モードでも0.02cの群速度
短いフィリングタイム
（長いセル：製作性向上・コスト削減）
10
yモード：広いパスバンド → x、yモードの分離
cpl = 8 [mm]
y-mode
x-mode
HEM11分散曲線
データ 56pi-diagram-R20S104
6200
x-mode pass band
HEM11-x
frequency [MHz]
6100
6000
5900
5/6
5800
HEM11-y
5700
5600
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
βD [/π]
11
扁平化アイリス → 高い群速度
直線部
1 mm 固定
半径
6 mm 固定
12
扁平化アイリス → 高い加速勾配
アイリスy方向に電界を集中
直線部
1 mm 固定
半径
6 mm 固定
レーストラック半径 ＝ 6 mm 直線部 ＝ 8 mm
13
加速管製作
セル加工
接合
MHI
・材質：クラス1無酸素銅
・鏡面加工
アイリス：
ラジアスエンドミル加工(1.6S)後
電解研磨仕上 (< 0.5μm RMS)
それ以外：
超精密旋盤加工（0.1S）
77加速セル＋２カップラーセル
真空ろう付け
14
3D PLOT OF THE MATERIAL DISTRIBUTION IN THE MESH
アイリス部電解研磨用電極の最適化
6
W
631]
631]
631]
631]
000]
000]
初期電極
56+108
アイリスR部の外側が梨地状に荒れる
FRAME: 197
X
16/10/08 - 08:48:39
VERSION[V4.106]
./DATA/ELECTROPOLISH-R20S1049-CELL.DRD
ELECTRIC FLUX DENSITY IN AS/M**2
OP-:4106
#ARROW
COORDINATES/M
FULL RANGE / WINDOW
X[
0.0000, 0.029631]
[
0.0000,
0.0000]
Y[-0.0075156, 0.029631]
[0.00050000, 0.011126]
Z[ -0.030000, 0.030000]
[-0.0066000,0.0057000]
SYMBOL = D
X-MESHLINE:
1
CUT AT X/M:
0.0000
INTERPOLATE.=
1
LOGSCALE....=
0.0000
MAX ARROW = 8.46364E-09
電界強度が減少
（アイリス近傍の電界が一様でない）
Y
-X
Z
15
3D PLOT OF THE MATERIAL DISTRIBUTION IN THE MESH
OM-:4106
#VOLUME
最適化した電極
アイリス部の電界が一様になる電極を設計
COORDINATES/M
FULL RANGE / WINDOW
X[ -0.029631, 0.029631]
[ -0.029631, 0.029631]
Y[ -0.029631, 0.029631]
[ -0.029631, 0.029631]
Z[ -0.030000, 0.030000]
[ -0.030000, 0.030000]
SYMBOL: D
TIME......:
16.000
MATERIALS: 1,2,
表面粗さ <
Z0.5μm
Y
RMS
FRAME: 257
16/10/08 - 08:48:39
VERSION[V4.106]
./DATA/ELECTROPOLISH-R20S1049-CELL.DRD
ELECTRIC FLUX DENSITY IN AS/M**2
X
OP-:4106
#ARROW
V
W
U
COORDINATES/M
FULL RANGE / WINDOW
X[ -0.029631, 0.029631]
[
0.0000,
0.0000]
Y[ -0.029631, 0.029631]
[
0.0000, 0.015283]
Z[ -0.030000, 0.030000]
[ -0.011710, 0.011710]
SYMBOL = D
X-MESHLINE:
43
CUT AT X/M:
0.0000
INTERPOLATE.=
1
LOGSCALE....=
0.0000
MAX ARROW = 3.66563E-09
Y
-X
Z
16
セル周波数の調整
デチューン端板
FRAME: 102
10/02/09 - 22:17:54
FREQUENCY/HZ
MAXIMUM ERROR OF
CURLCURL-E
MEAN
ERROR OF
CURLCURL-E
MAXIMUM ERROR OF DIVERGENCE-D
5.9090774195385E+09
2.4025313788484E-05
3.4300740317425E-06
4.1105884906902E-12
VERSION[V4.106]
./DATA/C-TM110-CAVITY-56PI-R20S1049-3CELL-DETUNED-QTR.DRD
TIME HARMONIC ELECTRIC FIELD IN V/M
OP-:4106
#ARROW
COORDINATES/M
FULL RANGE / WINDOW
X[
0.0000, 0.029631]
[
0.0000,
0.0000]
Y[
0.0000, 0.029631]
[
0.0000, 0.029631]
Z[
0.0000, 0.030803]
[
0.0000, 0.030803]
SYMBOL = E_2
X-MESHLINE:
1
CUT AT X/M:
0.0000
INTERPOLATE.=
1
LOGSCALE....=
0.0000
MAX ARROW =
916.25
Y
-X
Z
デチューン端板によるセルモードの測定
セル単体周波数の測定・調整
ノーマルセル
２
FRAME:
12
29/01/09 - 10:59:52
FREQUENCY/HZ
MAXIMUM ERROR OF
CURLCURL-E
MEAN
ERROR OF
CURLCURL-E
MAXIMUM ERROR OF DIVERGENCE-D
5.9221171710794E+09
9.0830799014046E-08
3.6559595003589E-09
1.0295553280081E-15
VERSION[V4.106]
./DATA/C-TM110-CAVITY-56PI-R20S1049-7CELL-DETUNE.DRD
TIME HARMONIC ELECTRIC FIELD IN V/M
OP-:4106
#ARROW
COORDINATES/M
FULL RANGE / WINDOW
X[ -0.029720, 0.029720]
[
0.0000,
0.0000]
Y[ -0.029720, 0.029720]
[ -0.029720, 0.029720]
Z[ -0.021869, 0.10934]
[ -0.021869, 0.10934]
SYMBOL = E_14
X-MESHLINE:
33
CUT AT X/M:
0.0000
INTERPOLATE.=
1
LOGSCALE....=
0.0000
MAX ARROW =
363.37
管内法では単独セル化できず
正確な周波数が測定できない
Y
-X
Z
17
ハイパワー運転時の熱構造解析
25MW 1μs 60 pps （加速管１台）
カウンターフローなし
カウンターフロー
最上流セル
最下流セル
カウンターフローなし → 変形差 10%
カウンターフロー → 変形量 ２倍
18
セル調整
セル間結合が強く、ノーダルシフト法では
チューニングがうまく行えない
DESYの加速管チューニング法*による
ビーズチューニングシステム開発
* T. Khabiboulline et al., DESY M-95-02, 1005
ビーズ測定中の加速管
ノーダルシフトHFSS計算結果
19
ビーズチューニング法
S11
（１） 非共振ビーズ測定データから計算
加速波
an
反射波
bn
（２） チューニング目標
an 移相：-150 bn → ０ bnよりセル散乱係数Snを計算
S11変化量に換算
（３）
S11を測定しながら
ディンプリングでチューニング
精度 0.3 ・簡便
20
データ解析例
Sn
累積移相
誤差
an
bn／an
21
チューニングシミュレータ
セル周波数ずれ
→0
S11チューニング量
セルチューニング
周波数
bn → 0
22
チューニングシミュレーション例
23
チューニング結果
チューニング前後のビーズ測定データΔΓ比較
1号機
２号機
(a) 前
(a) 後
セル移相が揃っていない
セル間移相∼150
24
セル移相
前
後
累積移相誤差
<3
> 230
反射率
25
製作RAIDEN測定結果
設計値
１号機
２号機
共振周波数 [MHz]
5712
5712.207
5711.965
Qa
11200
8810
8950
シャントインピーダンス [MΩ/m]
27.7
20.8
21.0
減衰パラメータ τ
0.426
0.548
0.539
群速度 (vg/c) [%]
-2.13
-2.14
-2.14
フィリング時間[μs]
0.27
0.269
0.269
VSWR
< 1.1
1.12
1.09
累積移相誤差 [度]
<5
7.5
2.8
79% *
* セルロウ付け後、チューニング前 Qa＝10130（ 90％）
VT = 6.8 P[MW ]
9MW
２
2 以上で必要電圧40MV達成
26
加速管設置
約40時間大電力運転試験 → 50 MW（ パルス幅１μs、60 pps）OK
電子ビーム
SACLA内のRAIDENとCバンドシステム
クライストロン等の高周波源や伝送系部品は主加速部と共通
27
時間構造診断システム
Ce:YAG モニタ
分解能
3 μm
10.6 m
RAIDEN 2
VT = 60 MV
3.7 m
RAIDEN性能発揮（60 MV）＋ 設計の2倍以上のドリフト長
スクリーン上のバンチ射影率
52
fs /mm
フェムト秒領域でのバンチ時間構造診断能力
28
時間構造診断結果１
デフレクター OFF
圧縮調整中のバンチ
射影率 170 fs/mm
（VT = 19 MV）
BC2, 3 bypass S-バンド調整
垂直方向への偏向・伸張
29
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bypass
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第８回日本加速器学会 渡川他「X
線自由電子レーザー施設
SACLA における電子ビームの圧縮特性」より
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時間構造診断結果２
各BC下流の圧縮バンチ
BC1
30 MeV
50 A
3 ps
BC2
0.4 GeV
0.6 kA
300 fs
BC3
1.4 GeV
3 kA
30 fs
BC下流のバンチ時間構造を確認しながらビーム調整
時間構造診断結果３
レーザー増幅用圧縮バンチ
伸張率 52 fs/mm（ VT = 60 MV）にて測定
100 fs 以下、40 fs 程度であることを確認
1.2 Å レーザー増幅
(2011年６月)
31
まとめ
•
時間構造解析用RFデフレクターシステム開発
•
Cバンドデフレクター RAIDEN 要求性能発揮 レーストラック型アイリス：偏向面固定、高い群速度、高加速勾配 •
60 MV運転にて射影率 約50 fs/mmの性能達成
•
フェムト秒領域での時間構造解析実用化
32