Design and Beam Test of Prototype Beam Position Monitors for PAL-XFEL

Abstract

0.1 ∼ 0.06 nm영역의 결맞는 엑스선를 방사광 사용자에게 제공하는 것을 목표로 포항가속기연구소의 4세대 방사광 가속기는 2011년 건설을 시작하였다. 4세대 방사광 가속기는10 GeV의 선형 가속기와 언듈레이터 구간으로 이루어져 있으며, 엑스선 방사광을 발생시키기 위해서는 가속기 전 구간에 걸쳐 정밀한전자 빔 위치의 측정이 뒷받침되어야 한다. 이를 위해 4세대 방사광 가속기는 각각의 구간에서 요구되는 분해능을 만족시키기 위한 전자 빔 위치 측정장치를 제작, 설치할 예정이다. 선형가속기 구간에서는 스트립라인 전자 빔 위치 측정장치를, 언듈레이터 구간에서는 공동형 전자빔 위치 측정장치를 이용하여 전자 빔의 궤적을 측정할 예정이다. 두 전자빔 위치 측정장치는 본제품을 만들기 전, 시제품을 제작하여 되어 성능 측정을 하였다. 이 논문에서는 시제품 설계부터 전자 빔 테스트 결과를 소개하고 있다. 시제품의 설계는 전자기장 전산 모사 프로그램인 CST STUDIO SUITE를 사용하여, 각각의 전자 빔 측정장치의 요구 사항을 충족시킬 수 있도록 설계하였다. 스트립라인 전자 빔 위치 측정 장치의 경우, 요구되는 분해능은 < 5 μm인 반면, 언듈레이터 구간에 설치될 공동형 전자 빔 위치 측정장치의 경우 μm 미만의 분해능이 요구된다. 공동형 전자 빔 위치측정장치는 설치공간의 협소함을 고려하여 동작 주파수가 X-band가 되도록 설계되었다. 각각의 시제품은 전산 모사 프로그램의 계산 결과를 바탕으로 제작을 진행하였으며, 전자 빔 측정장치의 RF 특성을 측정하였다. 스트립라인 전자 빔 위치 측정 장치는 포항가속기연구소의 입사기 시험시설의 빔 라인에 설치되었으며, 전자 빔을 이용한 분해능 측정 시험을 실시하였다. 분해능 측정 시험에서는 두 가지의 전자 빔 위치 측정 신호 처리 장치를 사용하여, 각각의 신호 처리 장치의 성능에 따른 전자 빔 위치 장치 시스템의 분해능 변화를 측정 하였다. 공동형 전자 빔 위치 측정 장치 또한 입사기 실험시설에 설치되어 전자 빔 위치에 따른 신호의 변화를 측정하였으며, 미국 LCLS의 언듈레이터 구간에 설치되어 시제품의 신호 처리 장치와 함께 분해능을 측정하였다. 전자 빔을 이용한 두 시제품 분해능 측정 결과, 스트립라인 전자빔 위치 측정장치는 ∼ 2 μm, 공동형 전자빔 위치 측정장치는 ∼ 0.8 μm로 측정이 되었다. 이 측정 결과를 통해, 두 전자 빔 위치 측정 장치의 시제품 모두 PAL-XFEL의 요구조건을 충족, 사용 가능한 것을 확인하였다.

PAL-XFEL is hard X-ray FEL facility at Pohang Accelerator Laboratory (PAL). By using the self-amplified spontaneous emission (SASE) schematic, PAL-XFEL will provide X-rays in ranges of 0.1 to 0.06 nm. PAL-XFEL consists of 10 GeV linac and an undulator section. To maintain SASE process along the undulator section, the electron beam position monitoring with high resolution is required for both linac and undulator section. PAL-XFEL will use two different types of beam position monitors (BPMs), stripline and cavity BPMs, to monitor beam trajectories. Before fabricating PAL-XFEL BPMs, prototype BPMs have been designed and tested. In this thesis, results of prototypes of PAL-XFEL BPMs are introduced from design to beam test. Prototypes of PAL-XFEL BPMs are designed to meet physical requirements of the linac and the undulator section by using CST STUDIO SUITE, EM field simulation program. The stripline BPM is designed to meet < 5 μm resolution. The cavity BPM is designed as X-band cavity to meet sub micro-meter resolution due to tight space. These prototype BPMs are fabricated and tested to measured RF characteristics. The prototype stripline BPMs are installed at Injector Test Facility (ITF) of PAL and the resolution is measured with two different electronics. The prototype cavity BPM is installed at ITF to measure the response of changing beam positions. Also, the resolution of prototype cavity BPM system was measured at LCLS undulator beam line in SLAC, USA. These BPMs will be used for PAL-XFEL.