BPMの製作状況とマッピング計算

2013/2/21

高井，帯名，本田(融)，谷本

第69回ERL検討会

BPMの設置場所とタイプ別内訳

• 入射部＆診断部： φ63ストリップライン → ４台

• 合流部＆直線部： φ50ストリップライン → ２７台

• アーク部： 8角形ダクトストリップライン → １０台

• ダンプ部： φ85ストリップライン → ２台

• LCS部： ボタン電極 → ２台 計45台

+4

ストリップライン型BPM

• 電極の幅（ビームからの見込み角）で感度を上げられる

• 検出周波数帯域が広い

• 片端が接地されているためチャージアップしない etc.

SMAフィードスルーはダクトに直接溶接 上下左右に4枚の板状電極を配置 ビームからの見込み角： 20°

【例】 診断部のストリップライン型BPM

ガラス封止型フィードスルー

• 時間応答を速くするため低比誘電率のガラスで絶縁＆真空シール

材質はコバール（Kovar）＋金メッキ

コネクタはリバースのSMA

ガラス（BHA）の比誘電率 ： 5.0

軟化点： 698 ℃

電極長の最適化

Frequency [GHz]

Am

pli

tude

ストリップライン電極の周波数応答：

c

L

c

LiV

sin

2exp)(

感度が最大になる周波数：

)12(4

0 nL

cf

)12(4

0 nL

1.3GHz

2.6GHz 1.3GHz用 ⇒ 57.6 mm （Long型）

2.6GHz用 ⇒ 28.8 mm （Short型）

L = 57.6 mm

L = 28.8 mm

※Short型の1.3GHzに対する感度： 0.71 （-1.5dB）

2.6GHz用BPM （Short型）

• 内径: f50，長さ： 125 mm

• 電極幅： 8.8 mm （見込み角20°）

• 電極長： 28.8 mm

• 特性インピーダンス： 50 W

• 特殊フランジ （f114，下流側回転）

• 大気側からTIG溶接

• アライメント用ターゲット座

【例】 直線部のストリップライン型BPM（試作機）

BPM専用架台

• クランプ式からネジ止め式に変更

• DX ±10 mm, DZ +10/5 mm

• 基本的に隣接するQMの架台上に固定

ビーム位置マッピング

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

V

U

Y = 0 mm

+10 mm

-10 mm

X =

0 m

m

+10 m

m

-10 m

m

• Particle Studioで計算（境界要素法で追試予定）

• ビームポジション（ X, Y ）を1mm間隔でスイープ ⇒ ， 31

31

VV

VVU

+

42

42

VV

VVV

+

V1

V2

V3

V4

( X, Y )

直線部BPM（Φ50，見込み角20°，Short型）

感度係数

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 2 4 6 8 10

U

X

y = m1 * M0

errorvalue

0.00046720.077862m1

NA6.0026e-5

NA0.99971R

VkVV

VVkY

UkVV

VVkX

yy

xx

+

+

42

42

31

31

-5 mm ≤ X ≤ 5 mm

-5 mm ≤ Y ≤ 5 mm の範囲で線形応答

8.12 yx kk

直線部BPM（Φ50，見込み角20°，Short型）

出力信号

• GdfidLで計算

• バンチ長： 1 mm（3.3 ps），バンチ電荷： 1 pC，1/4モデル（D0.1 mm）

10

100

1000

104

0 5 10 15 20

Mag

nit

ude

Frequency [GHz]

Peak-to-peak output: 103.5 mV

直線部BPM（Φ50，見込み角20°，Short型）

-60

-40

-20

0

20

40

60

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Ou

tput

[mV

/pC

]

Time [ns]

進行方向ウェイク，インピーダンス

Loss factor: 59.1 mV/pC

（平均電流10 mA ⇒ 4.6 mW）

直線部BPM（Φ50，見込み角20°，Short型）

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Wak

e p

ote

nti

al [

V]

s [m]

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

0 5 10 15 20

Re Z

Im ZIm

ped

ance

[W

]

Frequency [GHz]

-1

-0.5

0

0.5

1

-1 -0.5 0 0.5 1

V

U

Y = 0 mm

+10 mm

-10 mm

X =

0 m

m

+10 m

m

-10 m

m

ビーム位置マッピング

• Particle Studioで計算（境界要素法で追試予定）

• ビームポジション（ X, Y ）を1mm間隔でスイープ ⇒ ， 31

31

VV

VVU

+

42

42

VV

VVV

+

V1

V2

V3

V4

( X, Y )

入射部／診断部BPM（Φ63，見込み角20°，Long型）

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 2 4 6 8 10

U

X

y = m1 * M0

errorvalue

0.000300590.061541m1

NA8.855e-5

NA0.99972R

感度係数

VkVV

VVkY

UkVV

VVkX

yy

xx

+

+

42

42

31

31

-7 mm ≤ X ≤ 7 mm

-7 mm ≤ Y ≤ 7 mm の範囲で線形応答

2.16 yx kk

入射部／診断部BPM（Φ63，見込み角20°，Long型）

出力信号

• GdfidLで計算

• バンチ長： 1 mm（3.3 ps），バンチ電荷： 1 pC，1/4モデル（D0.1 mm）

Peak-to-peak output: 88.6 mV

入射部／診断部BPM（Φ63，見込み角20°，Long型）

-40

-20

0

20

40

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Ou

tput

[mV

/pC

]

Time [ns]

10

100

1000

104

0 5 10 15 20

Mag

nit

ud

e

Frequency [GHz]

進行方向ウェイク，インピーダンス

Loss factor: 48.3 mV/pC

（平均電流10 mA ⇒ 3.7 mW）

入射部／診断部BPM（Φ63，見込み角20°，Long型）

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Wak

e p

ote

nti

al [

V]

s [m]

-2

-1

0

1

2

3

4

0 5 10 15 20

Re Z

Im Z

Imp

edan

ce [

W]

Frequency [GHz]

-1

-0.5

0

0.5

1

-1 -0.5 0 0.5 1

V

U

Y = 0 mm

+10 mm

-10 mm

X =

0 m

m

+1

0 m

m

-10 m

m

ビーム位置マッピング

• Particle Studioで計算（境界要素法で追試予定）

• ビームポジション（ X, Y ）を1mm間隔でスイープ ⇒ ， 31

31

VV

VVU

+

42

42

VV

VVV

+

V1

V2

V3

V4

( X, Y )

ダンプ部BPM（Φ85，見込み角12°，Long型）

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0 2 4 6 8 10

U

X

y = m1 * M0

errorvalue

0.000206760.045529m1

NA6.9767e-5

NA0.99971R

感度係数

VkVV

VVkY

UkVV

VVkX

yy

xx

+

+

42

42

31

31

-8 mm ≤ X ≤ 8 mm

-8 mm ≤ Y ≤ 8 mm の範囲で線形応答

0.22 yx kk

ダンプ部BPM（Φ85，見込み角12°，Long型）

10

100

1000

104

0 5 10 15 20

Mag

nit

ud

e

Frequency [GHz]

-30

-20

-10

0

10

20

30

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Ou

tput

[mV

/pC

]

Time [ns]

出力信号

• GdfidLで計算

• バンチ長： 1 mm（3.3 ps），バンチ電荷： 1 pC，1/4モデル（D0.1 mm）

Peak-to-peak output: 60.2 mV

ダンプ部BPM（Φ85，見込み角12°，Long型）

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

0 5 10 15 20

Re Z

Im Z

Imp

edan

ce [

W]

Frequency [GHz]

-0.03

-0.02

-0.01

0

0.01

0.02

0.03

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Wak

e p

ote

nti

al [

V]

s [m]

進行方向ウェイク，インピーダンス

Loss factor: 21.3 mV/pC

（平均電流10 mA ⇒ 1.6 mW）

ダンプ部BPM（Φ85，見込み角12°，Long型）

ビーム位置マッピング

• Particle Studioで計算（境界要素法で追試予定）

• ビームポジション（ X, Y ）を1mm間隔でスイープ ⇒

アーク部BPM（8角形ダクト，斜面中央，Short型）

4321

3241 )()(

VVVV

VVVVU

+++

++

4321

4321 )()(

VVVV

VVVVV

+++

++

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

V

U

Y = 0 mm

+10 mm

-10 mm

X =

0 m

m

+1

0 m

m

-10 m

m

V1 V2

V3 V4

( X, Y )

70

40

感度係数

アーク部BPM（8角形ダクト，斜面中央，Short型）

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0 2 4 6 8 10

V

Y

y = m1 * M0

errorvalue

0.000152830.029576m1

NA6.4233e-6

NA0.99979R

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 2 4 6 8 10

U

X

y = m1 * M0

errorvalue

0.000549860.077673m1

NA8.3147e-5

NA0.9996R

-5 mm ≤ X ≤ 5 mm

-5 mm ≤ Y ≤ 5 mm の範囲で線形応答 8.33 ,9.12 yx kk

VkYUkX yx ,

ビーム位置マッピング

• Particle Studioで計算（境界要素法で追試予定）

• ビームポジション（ X, Y ）を1mm間隔でスイープ ⇒

アーク部BPM（8角形ダクト，斜面上端，Short型）

4321

3241 )()(

VVVV

VVVVU

+++

++

4321

4321 )()(

VVVV

VVVVV

+++

++

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

V

U

Y = 0 mm

+10 mm

-10 mm

X =

0 m

m

+1

0 m

m

-10 m

m

V1 V2

V3 V4

( X, Y )

感度係数

アーク部BPM（8角形ダクト，斜面上端，Short型） VkYUkX yx ,

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0 2 4 6 8 10

V

Y

y = m1 * M0

errorvalue

0.000276390.054593m1

NA2.1007e-5

NA0.99979R

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 2 4 6 8 10

U

X

y = m1 * M0

errorvalue

0.000431470.063681m1

NA5.1195e-5

NA0.99963R

-5 mm ≤ X ≤ 5 mm

-5 mm ≤ Y ≤ 5 mm の範囲で線形応答 3.18 ,7.15 yx kk

10

100

1000

104

105

0 5 10 15 20

Mag

nit

ud

e

Frequency [GHz]

-100

-50

0

50

100

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Ou

tput

[mV

/pC

]

Time [ns]

出力信号

• GdfidLで計算

• バンチ長： 1 mm（3.3 ps），バンチ電荷： 1 pC，1/4モデル（D0.1 mm）

Peak-to-peak output: 172.7 mV

アーク部BPM（8角形ダクト，斜面上端，Short型）

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 5 10 15 20

Re Z

Im ZIm

ped

ance

[W

]

Frequency [GHz]

-0.12

-0.08

-0.04

0

0.04

0.08

0.12

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Wak

e p

ote

nti

al [

V]

s [m]

進行方向ウェイク，インピーダンス

Loss factor: 82.0 mV/pC

（平均電流10 mA ⇒ 6.3 mW）

アーク部BPM（8角形ダクト，斜面上端，Short型）

まとめ

BPM 設置場所

ダクト 電極長 台数 線形範囲 感度係数

kx / ky

出力 [mVpp]

ロスファクター

[mV/pC]

合流部・直線部

Φ50 Short 27 ±5mm 12.8 / 12.8 103.5 59.1

入射部・診断部

Φ63 Long 4 ±7mm 16.2 / 16.2 88.6 48.3

ダンプ部 Φ85 Long 2 ±8mm 22.0 / 22.0 60.2 21.3

アーク部 8角形 Short 10 ±5mm 15.7 / 18.3 172.7 82.0

• 入射部・診断部の４台と合流部の３台は既存，残りは製作中（年度内納品）

• LCS部のボタン電極×２は来年度予算で製作，インストール