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高周波空洞を用いたビーム傾きモニターの設計. Cavity Beam TILT monitor. 岡本 大典 . 卒業発表. ~目次~. ILC (リニアコライダー)について. ATF ATF2 プロジェクト. Cavity BTM (ビーム傾きモニター). 原理 見込める性能 今後について. ILC (国際リニアコライダー). 全長30 km におよぶ線形加速器、電子と陽電子を加速し 衝突させる。重心系エネルギー 500[GeV] ~1 [TeV]. ダンピングリング. 最終収束系. ATF. ATF 2. ILC のビームサイズ.

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Presentation Transcript
slide1
高周波空洞を用いたビーム傾きモニターの設計高周波空洞を用いたビーム傾きモニターの設計

CavityBeam TILT monitor

岡本 大典 

卒業発表

slide2

~目次~

  • ILC(リニアコライダー)について
  • ATF
  • ATF2プロジェクト
  • CavityBTM(ビーム傾きモニター)
  • 原理
  • 見込める性能
  • 今後について
slide3

ILC(国際リニアコライダー)

全長30kmにおよぶ線形加速器、電子と陽電子を加速し

衝突させる。重心系エネルギー 500[GeV]~1[TeV]

ダンピングリング

最終収束系

ATF

ATF2

ILCのビームサイズ

300μm

600nm

5nm

slide4

ATF

Accelerator Test Facility(加速器試験施設)

  • つくばのKEK(高エネルギー研究所)に設置されている試験加速器
  • ILC(リニアコライダー)などの次世代加速器の実現を目指した開発研究

特徴

  • 低エミッタンスなビーム

ビームの広がり角 × ビームサイズ

  • 高精度なビーム測定技術
slide5

ATF2プロジェクト

ILC最終収束系の技術開発を目的としたビームラインの拡張計画がある

ATFで作られる低エミッタンスなビームを

あらたなビームラインで細くしぼる。

ILC最終収束系のスケールダウンモデル

  建設段階にあり、2008年秋の運転開始を目指す

slide6

キッカー

ATF2であらたに加わる部分

電子銃

ダンピングリング

slide7

ATF2の目標

  • 37nmほどのビームサイズの実現と、そのビーム
  •  サイズが維持できる最終収束系の検証
  • nmスケールでのビーム軌道の測定、及び制御

ビーム軌道の傾きを測る

傾いたビーム

本来のビーム軌道

θ

θを正確に測りたい

ビーム傾きモニターの設計

slide8

CavityBTM

高周波空洞を用いたビーム傾きモニター

ビームが空洞中を通過すると、空洞内では高周波

電磁場が励起される。

高周波電磁場の中でビームの傾きに依存して大きく

励起されるモードを解析することで、ビームの傾き

を測定する。

空洞とビーム

Beam

*周りは導体でつくられている

slide9

電場の様子(空洞の断面図)

電場

Z

TM010 モノポールモード

TM110 ダイポールモード

TM010やTM110を用いる理由

  • 最低周波数の基本モードなので、ほかの高次の
  • モードとの分離が楽にできる
  • 電場をZ方向の成分しかもたない
slide10

角度をもったビームが空洞を通ることを考える角度をもったビームが空洞を通ることを考える

Beam

電場

θ

2Rtanθ

Z

R

空洞を通りすぎる間にビームはZ方向の移動距離に依存

した電圧を感じる(つまりθに依存)

ΔU= -ΔU

ビームと空洞の間でエネルギー保存

Cavity

beam

モードのエネルギーが励起される

slide11

信号の取り出し方

例えば、空洞の壁にスリットをつくってやることで磁場を取り出して読みだすことができる。

スリットから押し出される磁場をアンテナで捕える

スリット

アンテナ

磁場

slide12

同じ原理を基に制作されたCavity BPM (ビーム位置モニター)

二つ同じもの

空洞

アンテナ

スリット

@ATF

直方体の空洞で、TM120(ダイポールモード)を用いてビームの通った位置を検出する。

位置分解能・・・約8.7[nm]の精度を実現

slide13

見込める性能

Cavity BTMの限界性能は

熱ノイズ、電気ノイズによってきまる。

熱ノイズ

温度があればかならず存在するノイズで、

温度と帯域幅から大きさが決まる

例えば、室温(300K)で帯域幅が3MHzの

時には ー109[dBm]程度の熱ノイズがある。

[dBm]・・1mW[ミリワット]を基準にしたときの電力の比

     小さな信号を表すときによく用いる

     大きいほど強い信号

slide14

空洞からの信号の評価

空洞から取り出せる信号の電力Pは

以下のように定義される

ω: 周波数

U: モードのエネルギー

Q値・・スリットの形、大きさからきまる。

今回の熱ノイズとの比較には

Q=20000

という値を用いた。

slide15

見込める信号の強さ(円柱)

[μrad]

30mm

[dBm]

20mm

熱ノイズ

1バンチの電荷量

1.6[nC]

熱ノイズを考えた時の限界は0.05[μrad]程度

実際には回路を通して検出するので電気的ノイズがはいる

0.05[μrad]より大きい角度の測定が見込める。

      (バンチ長は考慮していない)

slide16

見込める信号の強さ(直方体)

[μrad]

[dBm]

60mm

30mm

20mm

1バンチの電荷量

1.6[nC]

熱ノイズを考えた時の限界は0.07[μrad]程度

実際には回路を通して検出するので電気的ノイズがはいる

0.07[μrad]より大きい角度の測定が見込める。

slide17

円柱と直方体を比べて

実際にいずれかのモードを測定する時、

できれば他のモードの信号は混ざってほしくない。

今の段階では直方体空洞の方が適しているかも・・

~今後の流れ~

ビームラインを含んだ計算を

行うためには、電磁場計算の

シミュレーションが必要になる

  • 最適な空洞
  • 信号の取り出し(スリットの位置、大きさ)

実際に設計図を作っていく