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電子加速器におけるビーム不安定性の研究

電子加速器におけるビーム不安定性の研究. 第2回日中拠点大学交流事業評価委員会. 2004.8.11 福間均 (KEK). 研究代表者名. 日本側　　福間均・高エネルギー加速器研究機構 (KEK) ・助教授 相手国側　 Guo Zhiyuan （ 国智元 ）・ 中国 高能物理研究所 (IHEP) ・教授. 研究目的. 電子加速器でのビーム不安定性に関する共同研究を行ない KEKのBファクトリ(KEKB) および IHEPの 電子陽電子衝突型加速器 (BEPC) の性能向上に貢献する。 また、 ビーム不安定性に関わる日中研究者の研究交流を促進する。. 活動概要.

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電子加速器におけるビーム不安定性の研究

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  1. 電子加速器におけるビーム不安定性の研究 第2回日中拠点大学交流事業評価委員会 2004.8.11福間均 (KEK) 研究代表者名 日本側　　福間均・高エネルギー加速器研究機構(KEK)・助教授 相手国側　Guo Zhiyuan（国智元）・中国高能物理研究所(IHEP)・教授

  2. 研究目的 電子加速器でのビーム不安定性に関する共同研究を行ないKEKのBファクトリ(KEKB)およびIHEPの電子陽電子衝突型加速器(BEPC)の性能向上に貢献する。また、ビーム不安定性に関わる日中研究者の研究交流を促進する。 活動概要 A)電子雲不安定性に関する研究 B)種々のビーム不安定性現象の研究 b)ビームと真空ダクトの結合インピーダンスの評価 a)イオンによるビーム不安定性 d)バンチ長伸張現象 c)高周波高次モードに起因する結合バンチ効果 e)衝突型加速器でのビームービーム相互作用 C)研究交流 D)ビーム物理セミナーの開催

  3. 研究実施状況及び成果 1. 電子雲不安定性に関する研究 1-1電子雲効果とは A) 電子雲の成長 CERN Large Hadron Collider (by F. Zimmermann) KEKBでのバンチ列に沿った電子雲の成長 電子雲密度 KEKBでの電子雲の分布 (Simulation by CLOUDLAND) バンチ列 (Simulation by F. Zimmermann)

  4. KEKPF B) 電子雲によるビーム不安定性 betatron sideband分布 バンチ重心が振動する。 KEK B factory ビーム幅が増大したように見える。 （ヘッドーテイル不安定性）

  5. C) ビーム不安定性以外の電子雲の効果 1)真空度の悪化。 2)超電導状態のチェンバ壁の発熱。 3)ビーム観測装置への障害。

  6. 電子雲不安定性の歴史 1965 INP PSR(bunched p) betatron oscillation ANL ZGS(bunched p) vertical oscillation BNL AGS(bunched p) vertical oscillation 1971 BEVATRON (coasting p) vertical oscillation CERN ISR (coasting p) beam blowup 1988 LANL PSR(bunched p) vertical oscillation 大強度バンチビーム 1989 KEK PF(bunched e+) coupled bunch oscillation 1996 IHEP BEPC (bunched e+) coupled bunch oscillation 1998 CERN SPS (bunched p) coupled bunch & beam blowup 1999 KEKB, PEPII (bunched e+) beam blowup （2000 拠点大学交流事業開始。） ............................. p:proton, e+:positron (From a talk by F. Zimmermann at ECLOUD04)

  7. 1-2 BEPCでの電子雲不安定性実験 1996年からIHEPとKEKで共同研究を実施。 BEPC(Beijing Electron Positron Collider) BEPCでの結合バンチ不安定性 Beam energy 1.3 - 2.2 GeV Circumference 240.4m この共同研究の主な成果は、KEK PFで観測されたものと同様の電子雲不安定性（結合バンチ不安定性）をBEPCで観測し、陽電子加速器での電子雲不安定性の存在を確証したことだった。

  8. 1-3 拠点大学交流事業での研究 1999年までの実験結果に基づき以下の研究を行った。 A) 電子量や電子のエネルギー分布の測定 電子の存在の直接的な確認。 B)BEPCIIでの電子雲不安定性対策の検討 B-1) BEPCを使った実験 ソレノイド磁石、静電電極、クロマティシティ、八極磁石等。 B-2) 計算機シミュレーション 不安定性の強さの評価。 真空チェンバ形状、チェンバ材質の評価。 C) 単バンチ不安定性の観測

  9. 1-3-1 BEPCでの実験と結果 A)電子量と電子のエネルギー分布測定 Retarded Field Analyzer (ALS type) repeller

  10. 電子のエネルギー分布 低エネルギー電子が主成分。 ビームによるマルチパクティングの観測 マルチパクティングは観測されなかった。 電子モニタが磁石に近かったためか？ 継続的研究が必要。

  11. B)ソレノイド磁石の効果 シミュレーションの例(RHIC) リングの直線部42m（全周の18%）にソレノイド巻き線を実施。 By L. Wang (ECLOUD04)

  12. ソレノイド磁石on/offによるbetatron sidebandの変化（ビーム振動の周波数解析） 結合バンチ不安定性による振動(vertical betatron sideband) sideband振幅 solenoid off (35A 30G) ソレノイド磁石によって、結合バンチ不安定性が抑制される。 solenoid on (13Gauss)

  13. ソレノイド磁石の強さと垂直方向ビームサイズの関係ソレノイド磁石の強さと垂直方向ビームサイズの関係 Streak cameraの測定 longitudinal方向への射影 ソレノイド切 ソレノイド入 ソレノイド磁石によってビーム幅増加が抑制される。 longitudinal size vertical size

  14. C)静電電極の効果 1)予備実験 電子モニタ 電子量 電極 真空チェンバ V 電極電圧(V)

  15. 2)ビーム位置モニタ32台の電極に+/-600Vの電圧をかける。2)ビーム位置モニタ32台の電極に+/-600Vの電圧をかける。 - + sideband振幅 電極 リング内 リング外 真空ダクト - + 電極電圧 静電電極によって結合バンチ不安定性が抑制される。

  16. D)クロマティシティの効果 クロマティシティ : 運動量 : ベータトロン振動数、 ヘッドーテイル不安定性の抑制 六極磁石の非線形磁場によるバンチ振動の抑制 sideband振幅 ビーム幅 クロマティシティによって結合バンチ不安定性、ビーム幅増加が抑制される。

  17. E)八極磁石の効果 1A K=30m-3 八極磁石を1台設置。 非線形磁場によるバンチ振動の抑制。 sideband振幅 ビーム幅 八極磁石電流 八極磁石電流 八極磁石によって結合バンチ不安定性、ビーム幅増加が抑制される。 ビーム幅への効果は理論的解明が必要。

  18. 1-3-2 計算機シミュレーション IHEPで電子雲不安定性の計算機シミュレーションプログラムを開発しBEPCIIでの電子雲不安定性について評価した(Dr. Liu Yudongの博士論文）。KEK側は、KEKコードの情報提供等の協力を行った。 計算内容 A) 電子雲の成長 チェンバ形状、チェンバ材質の影響。 B) 単バンチ不安定性の強さ 電子雲密度をどこまで押さえればよいかの尺度を求める。 C) 結合バンチ不安定性の強さ

  19. A) 電子雲の成長 プログラムはアンテチェンバ、静電電極を扱うことができる。 a) 電子の発生 放射光による光電子 - 1バンチ通過当たり10000個程度のマクロ粒子を発生。 真空チェンバ壁からの二次電子。 b)ビームによる電子のキック Basseti-Erskineの式。 c) 電子雲と静電電極の電場による電子のキック 電磁場計算プログラム(POISSON-SUPERFISH)。

  20. アンテチェンバの効果 電子雲密度(m-3) 1 x 1013 0

  21. 二次電子放出率の効果 電子雲密度(m-3) 二次電子放出率 急激な増大 二次電子放出率の小さい材質をチェンバ壁に使うこと。

  22. B) 単バンチ不安定性 a) 電子雲-マクロ粒子 b)バンチ-マクロ粒子（sliceに分割） マクロ粒子はシンクロトロン振動。 c)バンチ先頭部によって乱された電子雲が後尾部に力を与える。

  23. 電子雲密度とビーム幅の関係 電子雲密度(m-3) ビーム幅 ビーム幅 周回数 電子雲密度 不安定性の閾値

  24. C) 結合バンチ不安定性 垂直方向 水平方向 振動振幅2 b 振動モードの強さ 振動成長時間 0.08ms @ 電子雲密度1 x 1013 m-3 振動成長時間 8.0 ms @ 電子雲密度1 x 1011 m-3 バンチフィードバックで救う。

  25. 1-3-3 BEPCIIでの電子雲不安定性対策 A)実験結果から考えられる対策 a) 電子雲の量を減らすこと 1)ソレノイド磁石 磁石がない場所に有効。 2)静電電極 有効。しかし、 インピーダンス源になる。アパーチャが犠牲になる。ハードウェアの設計が大変（発熱対策等）。 b) ビームへのアクション 1)クロマティシティ、八極磁石 結合バンチ、単バンチ不安定性両方に有効。 非線形磁場のせいでビーム寿命、測定器バックグラウンドに悪影響がでる可能性がある。 電子雲の量を減らすことが根本的対策。

  26. B) シミュレーション結果から考えられる対策 a) 電子雲の量を減らすこと 1)アンテチェンバの採用。 2) TiN コーティングの採用。 b) ビームへのアクション 1)バンチフィードバック 結合バンチ不安定性に有効。 2) クロマティシティ 単バンチ不安定性に有効。

  27. C) BEPCIIでとられた対策 1) TiNコーティングしたphoton absorver付きのアンテチェンバで電子雲密度を 1.4 x 1011m-3 に押さえる。 2) バンチフィードバックシステムの設置。 予備的方法として、 クロマティシティ調整。 八極磁石の設置。 ソレノイド磁石の設置。 静電電極の検討。

  28. 1-3-4 拠点大学事業での電子雲不安定性研究のまとめ A) BEPCで実験を行い、BEPCIIでの電子雲不安定性対策について有用な結果を得た。 B) IHEPでシミュレーションプログラムの開発を行い、BEPCIIでの電子雲不安定性の評価を行った。 いずれも、BEPCIIでの電子雲不安定性対策を決定するために重要な貢献をした。

  29. 2. 研究者交流 （セミナを除く。） 交流項目 a)電子雲不安定性の研究 b)ビーム計測システムの研究 c)縦方向ビーム不安定性の研究 d)ビーム調整方法 e)バンチ振動抑制システムの研究 f)高次モードの電磁場に起因するビーム不安定性の研究 g)ビームービーム相互作用の研究

  30. 3. ビーム物理セミナー 平成13年度、IHEPにて開催。 出席者は日本9名、中国10名、その他の国3名。 KEKB、KEKのリニアコライダー用加速器試験施設(ATF)、BEPCでの共同研究について、 a)これまでの研究のまとめとb)今後の研究方針について討論。

  31. 4. 拠点大学交流に関連したビーム不安定性に関する論文 計25編

  32. 5.拠点大学交流参加メンバによる博士論文 Luo Yun, IHEP “Two stream instability studies in BEPC/BTCF”, 2000. Huang Gang, THU “The study of the beam feedback system in electron storage ring”, 2002. Ge Jun, THU/IHEP “The study of longitudinal microwave instability including synchrotron radiation effect”, 2003. Liu Yudong, IHEP “The ECI studies in BEPC/BEPCII”, 2004.

  33. 今後の展望 BEPCのアップグレード計画であるBEPCIIがIHEPに建設される。 BEPCIIへの建設協力。 中国以外の国との研究協力。 具体的な活動項目 a)BEPCII, KEKBでの電子雲不安定性の研究 b)BEPCII, KEKBでのビームービーム相互作用の研究 c)BEPCII, KEKB, 韓国ポハン放射光施設でのイオン不安定性の研究 d)研究者の研究交流 e)ビーム物理に関するセミナーの開催

  34. まとめ 1.日中拠点大学交流事業の一環として、ビーム不安定性に関する研究をIHEPとKEKの共同研究として行ってきた。 2.これまでの主なテーマは電子雲不安定性の研究であった。 実験面では、IHEPのBEPCで年1-2回の実験を行った。 また、IHEPでシミュレーションプログラムの開発を行い、BEPCIIでの電子雲不安定性の評価を行った。 この研究は、BEPCIIでの電子雲不安定性対策の方針決定に重要な貢献をした。 3.これからは、BEPCIIでのビーム不安定性に関する研究（電子雲不安定性、ビームービーム相互作用等）が共同研究の中心になると考えられる。

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