光確率冷却の実験的実証 - 株式会社リレー

Nature volume 608、pages 287–292 (2022)この記事を引用

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メトリクスの詳細

粒子加速器と蓄積リングは革新的な発見の手段であり、多くの用途において、粒子ビーム冷却の技術革新がその成功の主な原動力となっています1。この分野における最も重要な概念的および技術的進歩の 1 つである確率的冷却 (SC) 2、3、4、5、6 は、粒子のサンプリングとその位相空間構造の補正を通じてビームを冷却するため、「マクスウェルの悪魔」に似ています。 '。 SC をマイクロ波領域から光周波数および帯域幅まで拡張することは、達成可能な冷却速度を 3 ～ 4 桁増加させ、将来の加速器に強力なツールを提供できる可能性があるため、長い間追求されてきました。ほぼ 30 年前に初めて提案された光確率冷却 (OSC) は、従来の SC のマイクロ波素子を光周波数のアナログに置き換え、原理的にはあらゆる種類の荷電粒子ビームと互換性があります 7,8。ここでは、フェルミ国立加速器研究所の積分型光学テスト加速器での原理実証実験における OSC のデモンストレーションについて説明します9,10。この実験では、100 MeV の電子と放射波長 950 nm の非増幅構成の OSC を使用し、あらゆる自由度でビームの強力な同時冷却を達成しました。この光周波数での SC の実現は、高利得光増幅によるより高度な実験の基盤として機能し、加速器ベースの科学における広範なユーザーコミュニティに潜在的な利益をもたらす将来の運用 OSC システムの機会を前進させます。

粒子加速器は、高エネルギー物理学、核物理学、材料科学、核融合、医学などの分野で 1 世紀にわたる進歩を可能にした貴重な科学ツールです1。多くの用途では高輝度の粒子ビームが必要であり、蓄積リングに依存する用途（粒子衝突器、光源、軽イオンおよび重イオンリングなど）にとって、ビーム冷却は加速器の設計に不可欠な要素です。そして操作。ビームの冷却は、ビーム粒子が占める 6 次元の位相空間の体積の減少、または等価的にビーム内の熱運動の減少を構成します。衝突型加速器の場合、冷却はビームエミッタンスの減少を通じて光度を増加させ、ビーム内散乱（IBS）やその他の拡散メカニズムに対抗するために不可欠です11、12。冷却はまた、電荷、パリティ、時間反転 (CPT) 対称性および重力のテストのための反水素の効率的な生成、内部ターゲット実験など、原子、素粒子および核物理学における他の幅広いアプリケーションを可能にし、サポートします。共鳴質量と共鳴幅の精密測定16、および状態と相互作用の精密測定のための安定イオン種と放射性イオン種の両方の生成と冷却17、18。

アプリケーション固有の冷却技術にはさまざまなものがあります19、20。最も一般的なものの 1 つはシンクロトロン放射 (SR) 減衰であり、これは偏向電磁石内でのビームの SR 放射と、その後の高周波加速空洞によるこのエネルギー損失の補充によって生じます 21。電子陽電子衝突型加速器や、エネルギーフロンティアで提案されているハドロン衝突型加速器（例えば、将来の円形衝突型加速器）では、SR ダンピングにより十分な冷却がすでに行われています 22,23。しかし、約 4 TeV 未満のエネルギーのハドロンの場合、衝突エネルギーでの SR 減衰時間は実用には長すぎ、効果的な冷却には工学的なシステムが必要です。

このようなシステムでは、電子冷却 (EC) と確率的冷却 (SC) という 2 つの主要な冷却方法が考えられます2、3、24、25、26。 EC では、速度が一致した低温の電子ビームによるクーロン散乱によって粒子が熱化するため、ハドロンビームの温度が低下します。残念ながら、ビームエネルギーによる EC のスケーリングは、相対論的ビームでは特に不利になります。 EC は、ブルックヘブン国立研究所で計画されている電子イオン衝突型加速器 (EIC) では実現可能である可能性があり、その運用上限は 275 GeV (陽子) と予想されていますが、このエネルギーを超える EC システムの可能性は不確実です 27,28。

SC は、1968 年に S. van der Meer によって最初に提案され、陽子反陽子衝突型加速器の成功における重要な技術でした。これは、必要なビーム品質で十分な数の反陽子の蓄積を可能にしたため、1983 年の W 粒子と Z 粒子の発見に役立ち、その 1 年後、ファンデルメールは、次の功績によりノーベル物理学賞の分け前を受賞しました。 SC と発見におけるその役割2、3、4、5。それ以来、SC は多くの施設で科学の範囲を広げるために使用されてきました。その中には、トップクォークの発見を可能にしたテバトロン衝突型加速器や相対論的重イオン衝突型加速器も含まれます。相対論的重イオン衝突型加速器は、衝突エネルギーで動作的に SC を使用した最初の衝突型加速器です。、および実験用ストレージリング6、11、12、18、29。

従来の SC システムでは、最大約 10 GHz の帯域幅のマイクロ波領域で動作する電磁ピックアップ (アンテナ) を使用して、ビームの統計的変動がサンプリングされます。結果として得られる信号は増幅され、負帰還システムの電磁キッカーに適用され、その結果、循環ビームが冷却されます。 SC はランダムな変動のサンプリングに基づいているため、統合システムの帯域幅とビーム内の粒子密度によって、冷却に必要なパス数が決まり、したがって達成可能な冷却速度が決まります 25,26。 SC を光周波数まで拡張し、その後の帯域幅 (~1013 Hz) の増加により、達成可能な冷却速度が 3 ～ 4 桁増加する可能性があり、たとえば、0.25 TeV 間の高密度の陽子および反陽子バンチの直接冷却が可能になります。そして4TeV。現在、そのような実装には、光確率的冷却 (OSC) とコヒーレント電子冷却 (CEC) という 2 つの可能な方法が提案されています 7、8、30。

CEC は、計画されている EIC29 におけるハドロンのビーム冷却の候補として開発されています。電子ビームをピックアップ、キッカー、アンプとして使用します30,31,3233。対照的に、OSC は信号伝達媒体として自由空間電磁波、循環粒子ビームに放射線を結合する磁気アンジュレーター、および信号増幅のための光増幅器を使用します。どちらの場合も、SC 法の基礎となる物理現象は、光周波数への移行においても変わりません。 OSC は約 30 年前に初めて提案され、運用可能なハドロン衝突型加速器と低エネルギー電子リングの両方に対してその実装に関するいくつかの提案がなされましたが、この概念は現在に至るまで実験的に検証されていません 9,34,35,36,37。 38. ここでは、OSC の実験的実現について説明します。この結果は、光周波数での SC 技術によるビーム冷却の成功した実証を構成し、衝突型加速器や他の加速器施設への OSC の適用の基礎を確立します。

私たちの実験では、図 18 に詳細を示す OSC の通過時間法を使用します。冷却システムの入口で、各粒子はピックアップアンジュレーター (PU) を通過し、そこで短パルスの電磁放射を放出します。次に、ビームと光は、2 つの機能を果たす磁気シケイン (粒子バイパス) を使用して分離されます。1 つは、インライン光光学系 (レンズ、アンプ、遅延プレート) のための物理的なスペースと時間的余裕を確保するため、2 つ目は、光を導入するためです。 PU での粒子の運動量偏差 (誤差) とバイパス出口でのそれぞれの到着時間の間の相関関係。最後に、キッカーアンジュレーター (KU) が粒子とその光パルスの間のエネルギー交換を仲介し、その結果、補正エネルギーキックと、それに対応して各粒子のシンクロトロン (縦方向) およびベータトロン (横方向) の振動振幅が減少します。 KU 内の相互作用は、逆自由電子レーザー 39 を駆動するものと似ています。このレーザーでは、外部レーザー場が相対論的ビームがアンジュレーター内を共伝播するときに加速されるデバイスです。ただし、OSC の放射は粒子自体から発生するため、粒子の位相空間位置に関する情報が含まれるため、粒子のインコヒーレントな運動の補正に使用できます。

a、各粒子はピックアップアンジュレーターを通過する際に電磁放射のパルスを生成します。磁気バイパスはビームと光を分離し、キッカーアンジュレーターへの到着遅延における各粒子の位相空間誤差をエンコードします。正 (赤) および負 (青) の運動量偏差を持つ粒子の軌道が、基準粒子 (緑) を基準にして、対応する到着遅延とともに表示されます。ピックアップされた放射線は増幅され (または増幅されず)、キッカーアンジュレーターに集束されます。システムが冷却モードに調整されている場合、粒子とキッカー内のピックアップ放射線との相互作用により、補正エネルギーキックが生成されます。 b. 粒子の相対運動量偏差 Δp/p0 の関数として、OSC あり (黒の実線) と OSC なし (黒破線) での 1 回転あたりのエネルギー損失の例。遅延システムを基本波長の半分だけ離調すると (放射位相の Δϕ = ±π のシフト)、OSC システムは加熱モードになります (灰色の点線)。灰色の陰影領域は、報告された構成の相対 rms エネルギー拡散 (約 10-4) に対応します。

図1bに示すように、OSCシステムは粒子の総SR損失（または増幅された場合の総エネルギー変化）をそのエネルギー偏差に対して非常に敏感にし、効果的に従来のSR減衰率を大幅に強化します22。位相空間偏差が小さい場合、エネルギー変化は運動量偏差に対して線形であり、減衰が生じます。運動量の偏差が増加すると、シングルパス OSC 力が振動し、周期的に符号が反転します。粒子のシンクロトロン運動とベータトロン運動にわたる OSC 力を平均することによって決定される冷却速度も同様に振動し、位相空間に冷却ゾーンと加熱ゾーンが生じます (方法)。ビームの二乗平均平方根 (rms) 運動量広がりと rms 横エミッタンス (OSC なし) に対する最初の冷却ゾーンのサイズ (または受け入れ) は冷却範囲と呼ばれ、この範囲内のすべての粒子は OSC9 によって効果的に減衰されます。。光遅延を波長の半分だけ離すと、冷却ゾーンと加熱ゾーンが逆転します (図 1b と方法)。この構成では、小振幅の動きが不安定になり、粒子は OSC 加熱と SR ダンピングのバランスによって決まる大きな振幅までアンチダンピングされます。ここで説明する冷却速度と冷却範囲は、OSC (メソッド)9 の重要な性能指数です。

OSC の冷却力は、縦方向と横方向の自由度の間で再配分することもできるため、1 次元、2 次元、または 3 次元での冷却が可能になります (方法)。最後に、放射線の波長が短いため、光学システムの位置合わせとバイパスタイミングの同期と安定性に厳しい要件が課されます。効率的な OSC を実現するには、KU 内の PU 放射とビーム軌道を横方向の位置と角度でそれぞれ約 100 μm と約 100 μrad より良好に位置合わせする必要があり、バイパスタイミングは同期してサブフェムト秒レベルで安定している必要があります9。

図 2a に概略的に示されている統合型光学試験加速器 (IOTA) は、フェルミ国立加速器研究所にある周囲 40 m の電子および陽子蓄積リングです10。表 1 は、OSC 構成における IOTA に関連するパフォーマンスパラメータの概要を示しています9。図2bに示すOSC挿入は、IOTAのM4LダイポールとM4Rダイポールの間の約6mの長さの直線セクションを占めます。磁気バイパスは長方形双極子を使用して水平方向のビーム集束を最小限に抑え、縦方向から横方向への結合がバイパスの中心にある小さな結合四極子磁石によって支配されるようにします9。 PU と KU は、Nu = 16 磁気周期 (それぞれ 4.84 cm) を持つ同一の電磁アンジュレーターで、100 MeV の設計エネルギーに対して λr = 950 nm の軸上基本放射波長を生成します (方法)。 PU からの放射線は、基本波長で焦点距離 0.853 m の単一の真空内レンズを使用して KU に中継されます。この構成には光増幅は含まれていませんが、それでも強力な冷却が生成され、基礎となる物理学の詳細な測定が可能になります9。 KU に入る前に、光は約 0.1 mm の調整可能範囲、約 10 nm の閉ループ精度、無視できる反射損失を持つ遅延ステージを通過します (方法)。

a. IOTA リングと OSC 挿入位置の概略図。 b. アンジュレーター、シケイン、光学系を含む OSC 挿入の図 (挿入図)。 RF、無線周波数。 DOF、自由度。

ビームの閉軌道 (CO) と空間分布は、一連のビーム位置モニター、SR モニター、ストリークカメラを使用して特徴付けされました (方法)。さらに、PU と KU の放射線は、KU 内の異なる場所から画像を撮影するように配置された M4L の 2 台のカメラを使用して監視されました。集束された PU および KU 放射スポットの測定された位置は、アンジュレーター内の CO の誤差を監視するためにレーザーベースの位置合わせシステムと組み合わせて使用されました (方法)。 PU および KU 放射線スポットは、直交 CO バンプと真空内レンズの横移動を使用して空間的に位置合わせされ、その後、基本放射線の干渉が観察されるまで遅延ステージがその全範囲にわたって掃引されました。アライメント後、ビーム分布に対する OSC の効果が明らかとなり、レンズの移動と CO バンプを使用して OSC 相互作用の強度が最適化されました。最適化後、低速遅延スキャンと遅延設定の急速な変更による高速オンオフ切り替えの組み合わせを使用して、OSC インタラクションの特性を評価しました。

ここで説明する実験では、OSC システムは 3 次元冷却 (z、x、y) 用に構成されました。システムが適切に調整されている場合、SR ダンピングに対する OSC の優位性により、OSC に対するビームの応答は顕著になります。図3は、全範囲にわたる低速遅延スキャン（約30nm s−1、または等価約0.03λr s−1）中の3つの位相空間面すべての投影ビーム分布とrmsサイズ（図3c）を示しています。約30λr。

a、OSC 遅延スキャン中のビーム分布の測定されたままの (z、x、y) 投影。横方向 (x, y) 分布は M2R SR モニターに記録されました。約 15 分間のスキャンにわたる平均強度の減衰は、残留ガスによる散乱から生じるビームの自然な 1/e 寿命 (約 17 分) と一致しています。 b、最も強い OSC 冷却 (垂直の実線) ゾーンおよび加熱 (破線) ゾーン付近の拡大図。各投影の強度は、明確にするために再正規化されています。 c、投影された分布の rms ビームサイズ (σx、σy、σz)。フィットはビームのガウスコアに対して実行され、水平面での被写界深度効果の影響を軽減し、ガス散乱による非ガウステールによる汚染を回避します。すべての平面について、縦軸は、分布の中心が OSC 加熱により非ガウスになる振幅でクリップされます。回折補正された曲線は灰色で示され、ピンクのバンドは最も強い OSC 冷却ゾーンの位置を示します。理論から予想されるように、ビームサイズの変調数は約 2Nu です9。

投影の主な特徴は、既存の理論的枠組み（方法）内でよく理解できます9。スキャンの開始時と終了時（それぞれ高遅延と低遅延）、粒子と光は KU 内で縦方向に分離され、これにより OSC が効果的にオフになり、平衡状態が SR ダンピングのみによって設定されます。スキャンが進むにつれて、OSC は冷却モードと加熱モードを交互に行い、変調周期の合計数は約 2Nu になります。 OSC 強度は、真空内レンズ 9 による意図的なオーバーフォーカスにより約 10 周期後にピークに達し、「方法」で説明した包絡線関数によりどちらかの側に低下します。加熱モードでは、1 つの平面での振幅が大きいと、他の平面で OSC が反転する可能性があります (方法)。これは、図 3b (白い破線) にはっきりと示されており、OSC システムが加熱モード用に調整されているにもかかわらず、強い縦方向のアンチダンピングにより横方向の面が冷却されます。 SR モニターの位置での水平ビームサイズへの運動量拡散の (分散) 寄与が大きいため、この効果は垂直面よりも水平面ではあまり明らかではありません。対照的に、OSC が弱く、SR ダンピングに匹敵する場合、スキャンの端に近い場合 (図 3a)、アンチダンピングは弱く、冷却と加熱は異なるプレーン間で完全に同期されます。

OSC の冷却速度は平衡ビームサイズの変化から推定されました。完全結合構成 (方法) では、ストリークカメラによって測定された縦方向の分布と、単一の SR モニターによって測定された鉛直方向の分布を考慮するだけで十分です。したがって、M2R SR モニターは横方向の解像度を向上させるためにアップグレードされました (方法)。結果として生じる回折限界は小さく（約15μm）、垂直ビームサイズ（図3c）への影響は最小限であり（図3c）、その結果、推定OSC率（約5％）への影響は最小限でした。図 4 は、OSC システムの典型的な高速トグルに対する縦方向および垂直方向の分布とそのガウスフィットを示しています。遅延システムは最初に約 30λr ずれており、平衡ビーム分布は SR ダンピングによってのみ設定されます。時間 t = 0 では、システムは約 15λr s−1 の速度で最も強い冷却ゾーンに移動します。この移行は OSC の減衰時間に比べて遅いですが、本質的に同じ条件下で平衡分布が得られることが保証されます。

a、OSC トグル中の z (ストリークカメラ) および y (M2R SR モニター) における 1 次元ビーム分布の時間依存性。システムは最初に 30λr だけ離調され、t = 0 で最大冷却設定にスナップされます。 b、a に示されている生の投影のガウスフィットからの rms ビームサイズ。 c、[-20, -10] s および [10, 20] s の間隔での OSC オフおよび OSC オン状態の時間の経過に伴う平均分布 (実線) とそのガウスフィット (点線)。 b と c では、M2R フィットは中央の ±110 μm のみを使用して、ガス散乱に起因する非ガウステールによる汚染を軽減します。回折補正された曲線は灰色で示されており、各ケースの分布は比較のためにピーク値 1 に正規化されています。

IBS がない場合、減衰率の比 (OSC の有無にかかわらず) は、対応するビームサイズの 2 乗の比に反比例します。 IBS の存在により、これらのビームサイズの差が減少します。図３〜図６のサンプルデータは以下の通りである。図 3 と 4 は、IBS の影響を軽減するために低ビーム電流 (約 50 ～ 150 nA、または約 105 個の粒子) で撮影され、残留影響を補正するために分析では単純な IBS モデルが使用されました (方法)9。 SR 減衰のみと比較して、平衡サイズは縦面と横面でそれぞれ約 8.06 倍と 2.94 倍の総減衰率の増加に対応します (方法)。単一の平面に結合された場合、OSC の合計振幅冷却速度は約 9.2 s-1 であり、これは 18.4 s-1 の合計エミッタンス冷却速度に相当し、縦方向 SR 減衰よりも約 1 桁大きいです。ここでは説明しませんが、一次元構成 (z のみ) と二次元構成 (z および x) で同等の合計 OSC 減衰率で冷却も達成されました。これを達成するために、IOTA リングは x-y 分離され、結合四重極の励起を変更することで縦方向から横方向への結合強度が滑らかに調整されました。

縦方向の冷却範囲は、加熱モード用に調整された OSC によるビーム分布の測定から計算されました (方法)。観察された平衡振幅は理論的予測とよく一致しており、OSC と SR の減衰率の比から、およびストリークカメラのキャリブレーションから直接という 2 つの別個のアプローチを使用して計算されました。達成される最大の OSC レートでは、計算された振幅は約 5% の精度で互いに一致し、放射波数 k0 = 2π/λr に正規化すると、asmax ≈ 3.3 にほぼ等しくなります (方法)。図 4c では、長手方向の分布は純粋なガウス分布によく適合しており、ビームが長手方向の冷却範囲内に十分にあり、分布の裾の減衰率の低下がないことを示しています。

横方向の冷却範囲は、横方向のビームサイズが小さく、横方向の OSC が比較的弱いため、詳細に研究できませんでした。これにより、大きな横方向振幅での粒子の捕捉が妨げられました。ただし、OSC 最大値での冷却ビームの測定 rms 横モードエミッタンスは約 0.9 nm であり、これは予想される冷却範囲 (表 1) のほぼ 100 分の 1 であり、少なくとも約 30 分の 1 であることに注意してください。大振幅での長手方向変位の非線形性によって減少した場合の冷却範囲の最悪の場合の推定値。したがって、冷却範囲の制限は OSC 測定に何の役割も持たないと予想されますが、この結論には依然として実験による検証が必要です。

これらの結果には、予想からの顕著な逸脱がいくつかあります。推定された合計冷却速度は、アンジュレータ放射の詳細なシミュレーションに基づいた予想値 (表 1) の約半分です9。また、実験で測定された OSC 速度の比 (縦方向と横方向の合計) は 1:0.34 でしたが、1:1.03 が予想されます 9。これらの不一致の考えられる原因については、「方法」で説明します。

我々は光確率冷却を実験的に実証しました。これは、テラヘルツ帯域幅領域における確率的ビーム冷却技術の実現を構成し、従来の SC システムと比較して約 2,000 倍の帯域幅の増加を表します。さらに、あらゆる自由度で冷却力を共有するための結合方式を実証することに成功しました。これは他の冷却概念にも適用できます。実験のもう 1 つの重要な技術的成果は、ビームとその放射が効果的に同期され、OSC セクションの長さ (約 3 m) にわたって放射波長の 4 分の 1 (<250 nm) 以上に安定化されたことです。これらの結果は、本質的な OSC の物理学と技術の重要な検証を提供し、高利得の光増幅と高度なシステムアーキテクチャを含む実験への道を開きます。たとえば、IOTA OSC プログラムの次の段階が進行中で、約 4 ～ 6 mm の遅延、30 dB を超える光パワー利得、および拡張性を拡張する高度なコンセプトを探求する柔軟性を備えた増幅 OSC システムの開発を目標としています。横方向光サンプリングなどの OSC の適用性40。この増幅されたシステムの実証が成功すれば、衝突型加速器やその他の加速器施設用の高利得 OSC システムの操作に必要な基盤が提供され、シンクロトロン光源の可能性が開かれる可能性があります。これらには、ハドロンビームの直接冷却のための OSC システム、リングベースの電子冷却器のための蓄積された高強度電子ビームの二次冷却、および SR ダンピングを強化するためのフレキシブル OSC システムが含まれる場合があります。

IOTA には、各主双極子に放射光モニターが装備されています。これらのステーションは、Blackfly-PGE-23S6M-C 相補型金属酸化膜半導体 (CMOS) カメラを使用し、倍率がほぼ 1 で、ビーム分布の直接横方向画像を記録するために使用されます。 OSC実験では、垂直偏光の除去(Thorlabs PBSW-405)と狭帯域フィルタ(Thorlabs FBH405-10)の使用という2つのハードウェア改善を使用して、M2Rステーションを高解像度にアップグレードしました。放出される垂直偏光は弱いですが、回折限界のスポットサイズが約 20% 増加します。狭帯域フィルタの波長は、カメラのセンサーの高い量子効率を維持しながら、可能な限り短くされました。このフィルターは、長波長放射線の回折の寄与と、短波長放射線からのレンズの色度の寄与を低減しました。計算によると、これらの対策により回折の寄与がほぼ 2 分の 1 に減少したことがわかります。ビーム画像の焦点を合わせるために、測定されたビームサイズが最小になるように各カメラの縦方向の位置が調整されました。ビーム軌道の水平方向の湾曲により、被写界深度効果が水平方向のサイズでより顕著になるため、垂直方向のサイズが優先されました。 M2R 投影内の「ホット」ピクセルは、ピーク検出アルゴリズムを使用して選択され、最も近いピクセルの平均に置き換えられました。測定されたビームサイズに対する回折補正は、さまざまなビーム電流の冷却、加熱、OSC なしの構成に単一の補正を当てはめることによって、M2R および M1L 測定ステーションに対して実験的に決定されました。測定および補正されたビームサイズの例は、拡張データ図 1 のサンプルデータに対して示されています。実験的に決定された補正は、M2R および M1L についてそれぞれ 15 μm および 31 μm という理論的推定値に近い値です。

OSC 挿入には、診断システムの位置合わせと OSC 調整のための CO の操作をサポートするレーザーベースの位置合わせシステムが装備されています。このシステムはヘリウムネオンレーザー (632.8 nm) で構成されており、その軸は OSC 挿入の両端にある 2 つの測量されたピンホールを通して調整されます。ピンホールの横方向の位置誤差は約±50μmです。空気側マッチング光学系のセットを使用して、アライメントレーザーの焦点を PU の中心に合わせます。次に、レーザーは真空内の光学系と下流のすべての診断ラインを中継して、以下に説明するアンジュレーター放射線 (UR) カメラ上にサブミリメートル画像を生成します。 OSC 実験の前に、クワッドセンタリングを使用して CO が数百マイクロメートルに補正され、標準技術を使用して格子関数が数パーセントに補正されました 40,41。

真空内レンズと遅延プレートは CORNING-HPFS-7980 で製造されており、これは主に対象の波長範囲での低群速度分散のために選択されました。このレンズは、UR の基本帯域 (950 ～ 1,400 nm) 用に反射防止コーティングが施されており、約 3.5 mrad の PU 放射線の受光角に相当する約 13 mm の有効口径を備えています。レンズの位置は、閉ループモードで動作する真空圧電マニピュレータ (Smaract Smarpod 70.42) を使用して、6 自由度 (位置で < ±10 nm、角度で < ± 15 μrad) で調整できます。遅延プレートの中心厚さは 250 μm で、25 mm プレート上の典型的な変動はハイディンガー干渉法によって測定され、約 100 nm でした。遅延プレートの公称方向は、PU 光の反射損失を減らすためにブリュースター角に近い方向になっています。遅延システムは、2 つの閉ループの回転ピエゾステージ (Smaract SR-2013) を使用して、2 つの遅延プレートを独立して回転させます。遅延は約 0.1 mm の全範囲にわたって約 10 nm の精度で調整できます。プレートの絶対角度 (つまり、OSC アライメント軸に対する相対角度) は不明ですが、遅延モデルは連続レート角度スキャンの OSC 冷却力の周期性に適合させることができます。

PU および KU からの放射線の画像化は、重要な診断機能を提供します。アンジュレータは、λr = lu(1 + K2/2)/2nγ2 で与えられる軸上放射波長を生成します。ここで、lu はアンジュレータの周期、n は放射の高調波、γ はローレンツ因子、K = qe Blu/ 2πmec はアンジュレータパラメータ、qe は電子の電荷、B はピーク軸上磁場、me は電子の静止質量、c は光の速度です。 M4L ダイポールにあるライトボックスには、KU および PU 放射線のすべての診断システムが含まれています。 2 台の Blackfly-PGE-23S6M-C CMOS カメラをフィルターホイールと組み合わせて使用し、KU および PU からの基本波、2 次または 3 次高調波を画像化します。これらの UR カメラは、KU 内の異なる場所に対応する 2 つの別々の画像面に配置されています。真空内レンズは 2f リレー構成であるため、PU 光はほぼ負の恒等変換で KU にマッピングされます。次に、イメージングシステムは、PU と KU の両方について、対応する線源面からビームの単一の比較的鮮明な画像を生成します。アライメントシステムと組み合わせて、これらの画像を使用して、両方のアンジュレーターの閉軌道の軌道誤差を推定できます。この概念を検証するために、イメージングシステム全体を通じた現実的な UR の伝播がシンクロトロン放射ワークショップ 42 で実行されました。実際には、KU 内の同じ線源面からの KU 放射線と PU 放射線の同時イメージングにより、KU 閉軌道と PU 放射線との簡単かつ大まかな位置合わせが可能になります。これは、縦方向の位置合わせとともに、OSC 相互作用を確立するための主要な要件です。カメラは基本放射線の干渉を直接画像化するのに十分な赤外線量子効率を備えており、これは縦方向の位置合わせが成功していることを示しています。

OSC 実験中にビームの長手方向分布を測定するために、シンクロススキャン (M5675) 垂直偏向ユニットを備えたハママツ製モデル C5680 デュアルスイープストリークカメラが使用されました。 Blackfly-PGE-23S6M-C CMOS カメラが検出器要素として使用され、システムは M3R ダイポールの上に設置されました。 50/50 の非偏光ビームスプリッターを使用して、既存の M3R SR ビーム位置モニターからの SR の半分をストリークカメラの入口スリットに向けました。外部クロック発生器はIOTAの第4高調波無線周波数(30MHz)に位相ロックされ、ビームの循環周波数(7.5MHz)の第11高調波(82.5MHz)でストリークカメラの掃引を駆動するために使用されました。ストリークカメラ画像 (ピクセルあたりピコ秒) を校正するために、最初に壁電流モニターを使用して IOTA の高周波電圧を校正し、さまざまな電圧設定に対するビームの同期位相のシフトを測定しました。次に、電圧設定の関数としてシンクロトロン周波数の測定 (ビームの共鳴励起による) が行われ、運動量圧縮に対する小さな補正係数 (+15%) が得られました。この値は、OSC 研究用に設計された低エミッタンス格子における集束誤差の影響を非常に受けやすくなります。最後に、測定された縦方向のビーム位置を電圧の関数として当てはめることによって、ストリークカメラの校正係数が決定されました。システムの視野の端にわずかな非線形性が観察されました。これは、振幅が最大でバンチの長さが視野内にかろうじて収まる加熱モードでの OSC のビームの長手方向分布をその中心に対して対称にすることによって補正されました。拡張データ図 2 は、補正前と補正後の縦方向の分布の例を示しています。

シケインダイポールは、1 × 10−5 レベル (rms) のリップルプラスノイズと数 ppm の長期安定性を備えた特別な電流レギュレータ (BiRa Systems PCRC) を使用してペアで電力供給されます。これにより、ビーム粒子が何度も回転してサンプリングするときに、OSC 力の名目上の位相が安定することが保証されます。 10-5 レベル半ばの調整は、ビームの自然な運動量の広がりに匹敵する実効運動量誤差に対応することに注意してください。 IOTA のダイポールに電力を供給する主電源のレギュレーションも、同等の安定性まで改善されました。これは、固定高周波の電子シンクロトロンとして、ビームエネルギーがリングの双極子の磁場に直接関係しているため、IOTA に必要でした。したがって、曲げ場の変化は粒子遅延の変化をもたらします。

KU 内の粒子とその PU 放射場の間のエネルギー交換は縦方向の効果です。ただし、次のセクションで説明するように、アンジュレータ内の分散の存在を利用して、冷却力を横位相面に結合することができます。ここで報告するシステムでは、この結合 (縦方向から横方向へ) は、OSC バイパスの中央にある単一の四重極を励起することによってスムーズに調整できます。横結合共振、この場合は Qx = 5.42 および Qy = 2.42 のベータトロン調整 (つまり、1 回転あたりのベータトロン振動数) による差共振での蓄積リングの動作により、ビーム放射と冷却と加熱が分割されます。水平面と垂直面。このバイパスと格子結合の組み合わせにより、OSC を使用したビームの完全な 3 次元冷却が可能になります。格子を結合するために、リング光学系を補正してベータトロンチューンの小数部間の分割を最小限に抑え (ΔQ < 0.005)、分散ゼロの領域で単一のスキュー四重極を励起することによって強力な横結合を導入しました。

OSC 冷却速度の導出については、参考文献を参照してください。 9. ここでは、実験データの分析に必要な主な結果のみを要約します。運動量偏差が比較的小さい場合、粒子が経験する縦方向のキックは次のように近似できます。

ここで、κ は最大キック値、k0 = 2π/λr は放射波数、s はキックがゼロになる基準粒子に対する PU から KU への途中の粒子の長手方向の変位、u(s) は|s| に対して u(0) = 1 および u(s) = 0 のエンベロープ関数。 > Nuλr、これは統合システムの帯域幅を考慮します。包絡線関数の効果は図 3c で観察されます。線形近似では、次のように書くことができます。

ここで、M5n はピックアップからキッカーまでの 6 × 6 伝達行列の要素、x、θx、Δp/p は PU 中心の粒子座標、角度、相対運動量偏差です。小振幅運動の縦方向の冷却速度を求めるには、式 (1) の ks に線形項のみを残し、u(s) = 1 と設定します。縦方向の冷却速度は、次のように直接取得されます。

ここで、D および D' = dD/ds は、PU における環の分散とその縦導関数です。ここには、純粋な縦方向の運動 x = D(Δp/p) および θx = D'(Δp/p) のものも含めます。次に、シンプレクティック摂動理論と速度和定理 43 を使用すると、x-s 結合がない場合、冷却速度の合計 (振幅) が縦方向の冷却速度に等しいことがわかります。

ここで、λ1 と λ2 は 2 つのベータトロンモードの冷却速度、λs は縦方向の運動の冷却速度、f0 は蓄積リングの回転周波数です。

任意の x-y 結合の一般的なケースでは、横モードの冷却速度は長い式になります。ただし、結合共振での動作の場合、2 つの横モードの冷却速度は等しく、コンパクトに表現されます。この場合、式 (3) と (4) を組み合わせると、次のようになります。

式 (1) に示されている、運動量偏差に対する冷却力の調和依存性により、振幅の増加に伴って冷却速度が低下します。ベータトロン (横方向) 振動とシンクロトロン (縦方向) 振動を平均すると、粒子振幅に対する冷却速度の依存性が得られます。

ここで、Jn は n 次の第 1 種ベッセル関数、a1、a2、as は対応する平面の振動に関連するキッカー内の粒子の縦方向変位の無次元振幅です。電磁場の位相の単位で表され、次のように与えられます。

ここで、(Δp/p)max はシンクロトロン運動の振幅、ε1 と ε2 は一般化されたクーラント・スナイダー不変量 (単一粒子エミッタンス)、β1x、β2x、α1x、α2x、および u は定義された 4 次元 Twiss パラメータです。参考文献のセクション 2.2.5 に記載。 43. 式 (6) の冷却速度は粒子の振幅に応じて振動し、その結果、OSC 力によって粒子が大きな振幅で捕捉される可能性があります。すべての自由度に対して同時に減衰するという要件により、ai ≤ μ01 ≈ 2.405、i = 1, 2, s; となるように冷却の許容範囲が決まります。ここで、μ01 はベッセル関数 J0(x) の最初の根です。振動が 1 つの自由度のみで発生する場合、冷却範囲はより大きくなります: ai ≤ μ11 ≈ 3.83。ここで、μ11 はベッセル関数 J1(x) の最初の非ゼロ根です。

小振幅の OSC 速度は SR 冷却速度を大幅に上回りますが、観察されたビームの挙動を理解するには SR を考慮することが重要です。この場合、n 次自由度の合計冷却速度は次のようになります。

ここで、Rnτ は n 次自由度における小振幅 OSC 速度と SR 冷却速度の比、m と k はその他の自由度、ラベル τ は冷却速度の比を示すために使用されます。アンチダンピング OSC 位相を使用した測定では、ベータトロン運動の無次元振幅は 1 よりもはるかに小さくなります。アンチダンピングモードの長手方向 OSC の場合、次のようにシンクロトロン運動の無次元振幅に対する長手方向冷却速度の依存性が得られます。

したがって、平衡振幅は次の式によって決定されます: as = 2RsτJ1(as)。拡張データ図 3 は、OSC の測定パラメータに対する減衰モードおよび反減衰モードでの OSC の長手方向冷却速度の依存性を示しています。どちらのモードにも、平衡点は 1 つだけあります。ダンピングモードでは as = 0、アンチダンピングモードでは as = 3.273 です。

IBS が無視できる非常に小さなビーム電流の場合、小振幅運動の rms エミッタンス増加率は次の式で決定されます。

ここで、Bn は SR 発光による変動と残留ガス分子からの散乱によって引き起こされる拡散であり、ビームパラメータには依存しません。平衡状態では、方程式 (10) により冷却速度 \({\lambda }_{n}={B}_{n}/2{\varepsilon }_{n},\) と、冷却速度を計算する簡単な方法が決まります。 OSC あり (σn) と OSC なし (σn0) の RMS ビームサイズの比からの冷却速度:

ここで、λn0 は OSC がない場合の減衰率です。報告されているすべての OSC 測定は小さなビーム電流 (約 50 ～ 150 nA) で行われていますが、測定の大部分で IBS は無視できませんでした。したがって、我々は、単純化された IBS モデルを使用して、正確なビームパラメーターにほとんど依存しない冷却速度の補正を計算します 44。 IBS 項を式 (10) の右辺に追加します。

ここで、ε⊥ = ε1 = ε2 は rms 横エミッタンス、εs は rms 縦エミッタンス、定数 An は測定値から決定されます。

An を求めるには、約 1,000 秒間続く OSC 掃引の開始時と終了時で rms ビームサイズが異なるという事実を利用します。図 3 に示す測定では、測定されたビーム寿命が 17 分であるため、測定の開始時と終了時のビーム電流の比は RN = 2.5 になります。代数的操作を行うと、他の測定パラメータの比を通じて、掃引端で測定されたビームサイズの比 σn2 と、IBS がない場合に測定されるビームサイズ σn0 との比を次のように表すことができます。

ここで、(σv1/σv2) は初期と最終の垂直ビームサイズの比、(σs1/σs2) はバンチ長の同じ尺度、両方の横モードのエミッタンスは等しいとみなされ、ε⊥1 を使用しました。 /ε⊥2 = (σv1/σv2)2。これらの実験では、ビームサイズ (スイープの前後) のおおよその比率は次のとおりです。 (σv1/σv2) = 1.09 および (σs1/σs2) = 1.1。これにより、(σv0/σv2)2 = 0.745 となります。

次のステップでは、OSC を使用した場合と使用しない場合の冷却速度の比を求めます。式 (12) を同様に操作すると、式 (11) の改良版が得られます。

ここで、σvSR/σvOSC はそれぞれ OSC なしとありの測定ビームサイズの比です。σsSR/σsOSC はバンチ長に対して同じです。ここで示した測定値では、σvSR/σvOSC = 1.51 および σsSR/σsOSC = 2.5 であり、λvOSC/λvSR = 2.94 となります。縦方向冷却についても同様に計算すると、λsOSC/λsSR = 8.06 となります。 OSC システムと CO の全体的な調整と調整の変動により、レートの典型的な日次変動は約 10% レベルでした。ただし、パフォーマンスは、特定の操作セッション中は安定していて、必要な頻度は少なく、マイナーな調整のみでした。

図 4 の垂直分布に当てはめると、注目すべき 2 つの特徴が明らかになります。(1) OSC オフの場合の平衡サイズは予想より約 2 倍大きく、(2) 両方のケースで分布は非ガウスの裾を持ちます。 OSCありとなし。どちらの観測結果も、残留ガス分子からの散乱と一致しています。ビームサイズの増加から推定される蓄積リング内の平均真空圧力は、原子状水素換算で約 3.7 × 10−8 torr であり、前回の IOTA 実行の真空推定値と約 15% 以内の精度で一致します45。蓄積リングの垂直方向の受け入れは水平方向の受け入れよりも小さく、ビーム寿命から約 3 μm と推定されます。これは設計値の約 50% であり、冷却範囲 (表 1) を約 40 倍超えています。。

見かけの冷却速度の不一致の原因の 1 つは、真空チャンバーとビームの位置ずれによる PU ライトの物理的な開口部の減少であると考えられます。統合装置の 3 次元スキャンに基づく予備シミュレーションでは、差の 30 ～ 40% 程度がこの方法で説明できる可能性があることが示唆されています。その他の潜在的な原因としては、バイパスマッピングの非線形性、鉄柱の飽和によるアンジュレーター内の CO 軌道の歪みの可能性、ビームの増大により悪化する KU 内の有限の放射線スポットサイズによるエネルギー交換の減少などが挙げられます。残留ガスの飛散によるサイズの変化。

縦方向と横方向の結合に関して、測定された比率 (1:0.34) は、公称強度の約半分での結合四重極の励起に対応します。これは、モデルからの格子光学関数のバイパスおよび/または逸脱に追加の結合項が存在することを示唆しています。ただし、ここでは報告されていませんが、2 次元 OSC 実験では、結合四重極励起が 2 倍になり、1 に近い結合比が達成されました。

報告された実験のデータセットは、Zenodo リポジトリ (https://doi.org/10.5281/zenodo.6578557) で入手できます。

報告されたデータの処理と分析をサポートするコードは、Zenodo リポジトリ (https://doi.org/10.5281/zenodo.6578557) で入手できます。

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D. Frank、M. Obrycki、R. Espinoza、N. Eddy、J. You の技術的およびハードウェアサポートに感謝します。 B. 運用サポートのための Cathey。討論のために、M. ゾロトレフ、M. アンドルフ、A. ランプキン、J. ウルテレ、A. シャルマン、G. ペンが参加しました。この原稿は、米国エネルギー省科学局、高エネルギー物理学局との契約番号 DE-AC02-07CH11359 に基づいて、Fermi Research Alliance, LLC によって執筆されました。この研究は、北イリノイ大学との米国エネルギー省契約番号 DE-SC0018656 および賞 PHY-1549132 に基づく米国国立科学財団、高輝度ビームセンターによっても支援されました。

フェルミ国立加速器研究所、米国イリノイ州バタビア

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北イリノイ大学物理学科、米国イリノイ州デカルブ

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SLAC 国立加速器研究所、メンローパーク、カリフォルニア州、米国

S. チャトパディヤイ

シカゴ大学物理学科、シカゴ、イリノイ州、米国

I. ロバック & S. ナガイツェフ

アルゴンヌ国立研究所、米国イリノイ州アルゴンヌ

P.ピオット

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VL は IOTA OSC プログラムを開始し、OSC の概念設計とデータ分析を主導し、実験測定をサポートしました。 JJ は、OSC 装置と診断システムの設計、シミュレーション、統合、および実験操作を主導し、OSC の概念設計とデータ分析をサポートしました。 AR は、OSC の概念設計、ハードウェア開発、実験測定をサポートし、OSC 格子のコミッショニングを主導しました。 AVとJSはIOTAリングの操作をサポートしました。 AV、JS、AR、GS、DB は OSC ハードウェアの統合をサポートしました。 DBはOSCモーションシステムの統合と運用をサポートしました。 JR は、OSC 光光学系と診断の概念設計とシミュレーションと開発をサポートしました。 DE は診断システムの運用をサポートしました。 KC は、RF システムと電源システムの統合と運用をサポートしました。 HP は、OSC 真空システムの設計、モデリング、製造をサポートしました。 GS と IL は OSC 測定と診断システムをサポートしました。 ADとPPは光遅延システムの開発を支援しました。 SN と AV は IOTA 研究プログラムを開始し、IOTA リングの設計と構築を主導し、プログラムによる指導とサポートを提供しました。 SC は技術的および学術的な指導、ハードウェアサポート、上級指導を提供しました。すべての著者は、OSC プログラムのさまざまな側面を導くのに役立つグループディスカッションに参加しました。原稿は JJ と VL によって書かれました。著者全員が原稿の編集に貢献しました。

J. ジャービスまたは V. レベデフへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

Nature は、この研究の査読に貢献してくれた Markus Steck と他の匿名の査読者に感謝します。査読者レポートが利用可能です。

発行者注記 Springer Nature は、発行された地図および所属機関の管轄権の主張に関して中立を保っています。

M2R (丸) および M1L (三角) シンクロトロン放射光モニターの OSC を使用した場合と使用しない場合の rms 垂直ビームサイズの測定例。塗りつぶし - 未補正の測定値。 unfilled - \(\sqrt{{\sigma }^{2}-{D}^{2}}\) として回折を補正した測定値。回折補正は、M2R モニターの場合は D = 15 μm、M1L モニターの場合は D = 31 μm です。 M1L モニターのデータは、M2R 対 M1L ベータ関数の比率を使用して M2R の位置に合わせてスケーリングされました。 M1L サイズへの回折補正は、M2R の位置にサイズをスケーリングする前に適用されました。

アンチダンピングモードでの OSC のストリークカメラ非線形性の補正前 (点線) と補正後 (実線) の縦方向の分布。

正規化されたシンクロトロン振幅の関数としての全縦方向減衰率 (実線) と反減衰率 (破線)。速度は、縦方向の放射光減衰の強さに対して正規化されています。

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転載と許可

ジャービス、J.、レベデフ、V.、ロマノフ、A. 他。光確率冷却の実験的デモンストレーション。 Nature 608、287–292 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41586-022-04969-7

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受信日: 2022 年 3 月 16 日

受理日: 2022 年 6 月 13 日

公開日: 2022 年 8 月 10 日

発行日: 2022 年 8 月 11 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-04969-7

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