Hybridリングの概念設計
ーPF将来計画（II）⻑期計画ー

計画立案、設計、検討に関して、CASA（応用超伝導加速器センター）、 cERL（CASA、6系
他）、入射器（5系）、冷凍機・理論（3系）の方々を始め、所内の多くの皆様に既に協力して頂いています。

本日の内容• 昨年9月の前回のPFシンポジウム（代替開催）で紹介した新光源、ハイブリッドリ
ング計画について、その後の検討の進展を含めて紹介を行う。
• 内容的には重複する部分も多い……
••••ハイブリッドリングとは？
⻑パルス超伝導線形加速器の特徴と利点
目標パラメータ
具体的な蓄積リング設計案

Hybridリングとは？
• PF、ARで行っている（世界的に見ても極めて）特徴的な研究を高度化。
• 大電荷の孤立バンチ (AR、PFハイブリッドモード）• 超伝導垂直ウィグラーと測定器の水平展開(PF-BL14）• タンデムアンジュレータ(PF-BL2, 16、AR-NW14）• 高速軌道スイッチング(PF-BL16)など• 第４世代光源で一般的な、• XFEL：極短バンチ、自由な時間構造、ピーク高輝度、ピーク高フラックス• MBA/HMBAリング：平均大電流かつ極低エミッタンス
平均大電流蓄積ビーム、孤立大電荷蓄積バンチ、特異な挿入光源・運転形態
極低エミッタンス、極短バンチ、大電荷バンチ
全てを同じ加速器、ビームラインで実現する
⻑パルス超伝導加速器を
通常のトップアップ入射用と入射ビームシングルパス利用の両方で利用↓
ハイブリッドリング＝ EuroXFEL LINACの3GeV部分 + タフな第3世代的光源

それぞれが得意なビームの融合• 蓄積リング• 周回軌道の繰り返しビームで安定。⇔一方、不安定性が起こることがある。
• パラメータは放射減衰と励起の平衡で決まる。 ⇔そこから逸脱できない。
• 普通にできること：500mA蓄積、エミッタンス1nmrad〜、バンチ⻑10ps〜。
• 極限：エミッタンス10〜100pmrad、バンチ電荷50nC……
• 線形加速器• パルス運転、シングルパス運転で不安定。 ⇔ 柔軟性、自由度が高い。リングのような不安定性は起きない。
• 極端性能のビームが出せる。
• ⻑パルス超伝導加速器で普通にできること：マクロパルス⻑1ms、繰り返し
10Hz、マクロパルス内のバンチ数数千〜10000、平均電流0.1mA〜、規格化エ
ミッタンス1mmmrad（3GeVでエミッタンス数百pmrad）、バンチ⻑50fs、
電荷1nC、加速勾配30MV/m• 極限：パルス⻑1fs、大規模CW、平均電流10〜100mA、加速勾配35〜
40MV/m• それぞれの、極限までいかないが、普通よりはちょっといい程度のパラメータを組み合わせると、非常に先端的、特徴的な光源にできる。

今まで何故できなかったのか？
• 常伝導線形加速器の平均電流の小ささ。
• 常伝導線形加速器の典型的なパラメータは1nC x 10Hz=10nA。平均電流が小さすぎて何も使えない。（最大限大電流化したKEK入射器で10nC x 50Hz=500nA。)• FELで発振させて6〜7桁増幅しなければ実用的な光束にならない。
• CW（連続パルス）超伝導加速器はコストが高い。
• 小規模ならいいが、大規模だと冷凍機負荷や電気代が高い。
• リング同等の平均電流に出来る一方、その際の電力が非現実的。1GeV x
100mA = 100MW。電力・放射線的にエネルギー回収が前提となる。エネル
ギー回収してもRF熱負荷は減らないので建設費、電気代は高額。
• ビームロスに対する安全対策が重要。
• ⻑パルス超電導加速器の実用化。
• 平均電流0.01〜0.1mA。冷凍機、電力代に対するに対するRF負荷ほぼなし。
• EuroXFEL加速器の3GeV相当のビームを、リングに回し、発振させずにそのまま使い捨てる。
• 極短バンチ、極低エミッタンスビームがリングで同時多数利用可能。ただし平均0.1mA。
• 試料は破壊されない。光学系や検出器の熱負荷は小さい。いつでも⼿軽に⻑
時間連続測定可能。
• ビームロスに対する安全対策は重要。

⻑パルス超伝導加速器の利点• ILCの為に開発され、FLASH → EuroXFELでユーザー運転に供されている。
• 10Hzパルス運転の超伝導加速器。
• 性能の割に建設費、運転経費が安いことが特徴。
• 常伝導に⽐べて（マクロ）パルス幅が⻑いので、多バンチを加速できる。
• KEK入射器はパルス幅2μsで1バンチ x 50Hz x 10nC = 平均500nA• EuroXFELは1ms x 2700バンチ x 10Hz x 1nC = 平均27μA• CWの超伝導に⽐べて、RF投入時間割合（duty）が小さいので、冷凍機に対するRFの負荷がほとんどない。
• 30MeVのCW超伝導加速器cERLでは冷凍機200kW。（主負荷はRF。）• 3GeVの⻑パルス加速器で必要な冷凍機容量（建設費と電気代）はcERLとほぼ同じ。（主たる負荷は熱流入による損失。）• 常伝導加速器と⽐べ、冷凍機とRF電源を含んで建設費は1.5倍程度。
• 平均電流は1000倍！（nA → μAに！）• そこからさらにduty 100%でmAにしようとすると冷凍機負荷（建設費、電気代）が50〜100倍になる。
• ILCは規模が大きすぎるので高い。
• 通常規模のLバンド、Cバンド常伝導加速器と⽐較するなら、出力パワーあたりのコストは激安。（スケールメリットなので、nAしか出さない場合は損。μA使い切
れればものすごく得！ 平均電流μA出せる現実的な唯一の解。）

超伝導LINAC

電
子
銃

低
周
波
加
速

クライオスタット（断熱、液体窒素）
シケ
イン

入射部・前段

液体ヘリウム(2K)槽
加速管（空洞）

ダクト
配
管
冷凍機

熱流入
～冷凍機負荷

ダクト

結
合
器
立体回路

BT・リングへ

x 多数

RF源

主加速
• 電子銃で電子ビーム生成。
• 陰極の質、寿命が課題。cERL、AR南棟でR&D中。
• 低周波加速：初段はたいてい、波⻑の⻑いRFで⻑パルスの電子全体を捕獲。速度差の効果でバンチを短く。（サブハーモニック・バンチャー空洞という。）• 主加速空洞でひたすら加速。
• シケイン：エネルギー差による軌道⻑差の効果でバンチを圧縮。（主加速の途中にも存在、通常は複数ある。）• RF源や結合器はパルスとCWとで設計、性能が違う。（兼用不可。）• パルスRF運転の場合の冷凍機負荷はほぼ熱流入のみ。CW運転ではそれにRFによる発熱が加わる。
• 3GeV x 0.1mA = 300kW、ビームロス対策や放射線安全は重要な課題。

Euro XFELのパルス構造と到達性能
RF：1ms x 10Hz = 10ms
10ms/1s = 1% → duty 1%• RFは間欠的に加速空洞に投入。マクロパルスといい、1ms x 10Hz。
• マクロパルス内で安定（フラットトップ）な0.6ms間で電子ビームを加速。
• 1つのマクロパルスに2700個（0.6ms)バンチトレイン。（RFのフラットトップ
内ではバンチ構造は自由に構成できる。）• EuroXFELでは、1nC x 2700バンチ(4.5MHz, 220ns間隔) x 10Hz = 平均27μA、加速勾配24MV/m（向上中）、エミッタンス0.5nm⋅rad（規格化エミッタンス
3mmmrad ）、パルス幅50fsで実際に運転中。

ハイブリッドリング入射器の目標• EuroXFELの運転パラメータ• マクロパルス幅1ms、10Hzでduty 1%• 1nC x 2700バンチ(4.5MHz, 220ns間隔) x 10Hz = 平均27μA• 加速勾配24MV/m（向上中）• エミッタンス0.5nm⋅rad（規格化エミッタンス3mm⋅mrad ）• パルス幅50fsで実際に運転中。
• 我々の最初の目標• マクロパルス幅1ms、10Hzでduty 1%• バンチ電荷1nC x 10000バンチ x 10Hz〜平均0.1mA• 加速勾配30MV/m（最大35MV/m）• エミッタンス0.1nm⋅rad (規格化エミッタンス0.6mm⋅mrad)• パルス幅50fs• 入射器からのビームをリングに入射、蓄積させずに１回だけ通過（SinglePass）
ビームとして利用し、取り出し、ダンプに捨てる。
• 入射器は蓄積(StoRage)用の通常のトップアップ運転にも利用。
• SPビームとSRビームは孤立バンチ的に時間差を付けることも出来るし、同時に使うことも出来る。（両者に対する同時の軌道、光軸の選択、測定、調整が今後の課題。PFリングで入射ビームを利用してR&Dを実施していく予定。PF入射は0.1nC x 1バンチ x 1Hzなので6桁違う……）

目標パラメータ•

500mA, 1 nm⋅radの通常の蓄積モード、それに加えて……

•

LINACビーム（SPビーム）利用モードとして、(a) 低エミッタンスモード: 100 pm⋅rad, 1 ps, ave 100 μA*1 → 目標 30 pm⋅rad(b) ショートバンチモード: 1 nm⋅rad, 50 fs*2, ave 100 μA*1(c) シングルバンチモード: 100 pm⋅rad, 50 fs*2,
1 nC*1 10,000shot x 10Hz x 1nC のバースト運転。
*2 バンチ⻑は輸送距離によって変わる。（輸送に従いバンチ伸⻑が起こる。）• 初期規格化エミッタンスとして a) 0.2π, b,c) 0.5π mm⋅rad を想定。
• 各モードにおいては赤字の性能を重視、他は多少の変動を許す。（赤字は現段階のシミュレーション結果。）••

当初：100 pm⋅rad, 50 fs, 1 nC（同時達成できない場合は目標パラメータ以外を調整）
EuroXFELのLINACでは、直線で、500 pm⋅rad, 50fs, 1nC x 2700バンチ, 27 μA は達成
済。

•

LINACで要求を満たせるビームを生成できること、リングに入射し、通過させつつ本質を維持すること、の両者が必要。
リングで低エミッタンスと極短バンチの両立が難しいのは、CSRの効果によるエミッタンス増大、バンチ伸⻑。それぞれに最適化したパラメータは可能。
（挿入光源の効果（R56、エネルギー拡がりの増大）も考慮する必要がある。）••

ハイブリッドリングの構成a

ハイブリッドリング

1ms x 10Hz (duty 1%)aStoredSR : 蓄積ビーム
Single Pass +SP : LINACビーム

1nC x 18MHz(55ns間隔) x 10000 bunches
ダンプ（ダンプ） （将来計画）エネルギー回収（ビーム向きも検討）

電子銃

b

a

典型的なRFマクロパルスとバンチ構造（将来計画）平均電流の増強

線形加速器：初段加速 - 主加速 + バンチ圧縮ab

SRバンチ (a)：2ns間隔→リング中心軌道を周回
SPバンチ (b)：55ns間隔（将来計画）FEL用挿入光源→入射ビーム軌道
LINAC伸⻑（エネルギー増） （~典型的な水平振幅±5mm）•

蓄積リング：300~600m、3GeV•

入射器 (EuroXFEL同様、ILC技術を使った⻑パルス超伝導線形加速器)• 加速勾配30MV/m、リングへのトップアップ入射、SPバンチ、ゆくゆくはFELにも利用
SRモードのビーム：電流〜500mA、水平エミッタンス1nm⋅rad、自然バンチ⻑10ps
LINACからのSP(シングルパス)ビーム：平均電流〜0.1mA、100pm ⋅ rad、50fs
SRのみ、SPのみ、SR+SPでHB（ハイブリッド）モードの３モードで運転。
HB：SR/SPビームは軌道スイッチングで切り替え、もしくは別の光軸で同時利用可能

•
•
•
•

平均電流の大きい超伝導LINACへの課題（再）••参考：周⻑300m、RF 500HMzの場合、バンチ数は500個。電流500mAの場合のバンチ電荷は1nC（1nC
x 500MHz = 500mA）、蓄積されている全電荷は、1nC x 500個 = 500nC。
リングの場合は繰り返しで電流値を稼いでいる。

•

大強度ビームに対する安全性の確保• 3GeVで0.1mAはパワー300kWとなる。シングルパスビームを受ける300kWのビームダンプが必要。
• ハードウェア的な不具合などによるビームロスが生じると、パワー的にも放射線的にも大きな問題となる。
• FELと異なり、リング実験ホールほぼ全体が危険区域となる。
• 遮蔽を増強して安全を担保すると莫大なコストがかかる。
• リング、BTに存在する電荷量は少ないので、ビーム損失を即座に検知して停止できれば問題はない。高速かつ信頼できるインターロックシステムが安全設計、計画実現に向けたス
タディでの最重要項目となる。

•

マクロパルスに1nCを10000バンチ入れると、10000nCなので、10Hzのうちの1Hz分をロスしただけで、リングの全ビームダンプ20回分に相当する。
ただし、瞬時に全電荷がビームライン上に存在するわけではない。55ns〜16.5m間隔。大きめに見積もってLINAC+BT 300m、リング600mとしても、約50バンチでリングの1/10の電荷になる。異常を発見し、BTの途中で即時に止められれば、リング（実験ホール）の安全性は確保できる。

••

超伝導加速器の安定的量産と高圧ガス対策の難しさ• 日本では日本の高圧ガス対応の空洞を量産した経験はない。（本計画には空洞96本、クライオモ
ジュール12台が必要。）• 超伝導空洞は非常に繊細な装置で、経年劣化（真空の汚れ等）に弱く、それを回復した例もない。
（KEKBの単セル空洞は⻑期安定運用の経験あり……）•

今後、大強度ビームの安全性の確保と、超電導空洞技術の商用実用化へ向けてのスタディを行ってゆく必要がある。

リング内でのSP短バンチのバンチ⻑維持
••

曲げた軌道にはエネルギー依存性がある。
リングの場合• 位置の差：高いエネルギーは外回り、低いエネルギーは内回り：分散関数• 周⻑の差：内回り軌道は短く、外回り軌道は⻑い：モーメンタムコンパクションファクター•

１回通過のBTでも同じ。
• エネルギーに対する軌道⻑の差：R56 (座標の添え字 5:縦方向位置（時間）、6:運動量)Δz = R56

Δp
η Δp
Δp
= −
ds
= −Cα
,
BM ρ
p
p
p
ρ : ベンドの曲率半径
η ; 分散関数

σz ∝ αC : 周長σz : バンチ長
α ： momentum compaction•••

R56=0にしておかないと、エネルギー拡がりの効果でバンチ⻑は伸びる。
CSRなどの効果で途中でバンチ内にエネルギー差が生じることもある。それがバンチ伸⻑に繋がる度合いも、曲率半径や分散関数、R56である程度制御できる。
R56=0の部分を、isochronous（等時的）という。ラティス、オプティクスで軌道を等時的にすれば、エネルギーが変わっても軌道⻑が同じで到達時刻が変わらない。（バンチ⻑が伸びない。）•

等時部分の作り方には２通りある• 非常に強い４極で、分散関数を負にする。エネルギーによる内回り外回りを部分的に逆転させる。
（ERLで採用。）• 分散の大きい部分に逆向き偏向電磁⽯を入れ、軌道⻑差を打ち消す。（SKB-DR、NewSUBARU、
今回のハイブリッドリングでも採用。）•

リング全体が等時的だと、原理的にはバンチ⻑ゼロになるが、実際は、不安定性が起こって蓄積できないということになる。（高次までがんばって、バンチ⻑で数ps程度、電流10μA程度が限界。）

ハイブリッドリングの蓄積リング設計
•
•
•
•
•

極短バンチの通過する部分ではSPバンチのバンチ⻑やエミッタンスを維持したい。
• SPバンチが通過する部分はR56=0にする。
リング全体では通常の大電流蓄積のために、R56〜α>0にする必要がある。
R56=0の等時セルとR56>0の通常のノーマルセルを組み合わせてリングを作る。
RF空洞、垂直ウィグラー、3倍波空洞などはSRのみの領域に設置。
SPセルとSRセルの境界に入射点と出射点。
R56〜0 等時セル
（曲げ角の和は調整）
出射点
入射点

R56>0 のもとのラティス：この側にRF空洞、垂直ウィグラー、
高速軌道スイッチング などを設置•••

蓄積リングとしてダイナミックアパーチャを確保する必要がある。
オプティクス、セルとして差を出来るだけ小さくしたい。色収差も抑えたい。逆ベンド方式が最適。
さらに、逆ベンドを追加するのではなく、分散最大の部分の集束4極を機能結合型逆偏向電磁⽯化すると最も設計がスムースに出来る。（逆BMの分だけ、通常のBMは曲げ角を追加。）

R56セルの設計•

極短バンチ、極低エミッタンスバンチを維持したまま輸送することは簡単ではない。
• 空間電荷効果：バンチ内の電子間クーロン力。エネルギーが高いため、空間電荷の効果はそれほど大きくない。（FELでもリングでも差はない。）• バンチ⻑と光の波⻑が同程度になった時、放射光はコヒーレントになる。コヒーレント放射光(CSR)のパワーは電子数の二乗に⽐例（通常の放射光は電子数自体に⽐例）するようになり、大強度になる。バンチ⻑50fs~15μm~0.08eVくらい。
• コヒーレント放射光の効果：バンチ後方から強力な放射光が発生、後方の電子は大きくエネル
ギーロス。電子が弧の軌道を描く間に、光は弦でショートカットしてバンチ前方に追いつき、バンチの前方の電子を加速。バンチ内にエネルギー偏差が発生。エネルギー差は分散関数とそれに伴う軌道⻑の差を通じ、バンチ全体としてエミッタンス増大、バンチ伸⻑となる。

•

CSR対策
• CSRそのものの抑制：光が弦を描いて追いつかなければいい。
• 曲率半径を大きく• 弦と弧で⻑さの差がなくなる。届きにくくなる。
• 偏向電磁⽯を短く• 有意に軌道⻑差ができない⻑さに。
• 効果の抑制：エネルギー偏差がεにもσzにも効かなければいい。
• 運動量偏差に対する位置偏差（分散関数）を小さく• 運動量偏差に対する軌道⻑偏差Δzを小さく〜分散小さく＋曲率半径大きく•

分散小さく＋曲率半径大きく＝低エミッタンスリングの設計指針と同じ具体的にやってみる
DBA (NSLS IIをもとに）

DDBA (東北放射光をもとに）*1

HMBA (KEK-LSをもとに）（昨年9月の資料参照）

通常セル
通常セル

εx～2.1nmrad

εx～1.14nmrad

通常セル

QM逆BM化

εx～0.15nmrad
QM逆BM化QM逆BM化等時セル
等時セル
εx～0.73nmrad
等時10セル + 通常5セル
εx～0.86nmrad

εx～0.55nmrad

等時10セル + 通常6セル
εx～0.66nmrad*1 https://www.qst.go.jp/site/3gev/41162.html

等時セル

εx～0.25nmrad

等時15セル + 通常5セル
εx～0.24nmrad

ダイナミックアパーチャ
HMBAベースのハイブリッドリング

DDBAベースのハイブリッドリング
1216+X 誤差なし

original X

+X 平均

14

hybrid X

10

水平アパーチャ [mm]

水平アパーチャ [mm]

12
10
8
6

8

6

4

4
2

2

0

0
-6

-4

-2

0
運動量偏差 [%]

2

4

-6

6

-4

-2

0
運動量偏差 [%]

2

4

6

2

4

6

6

16
+Y 誤差なし

original Y

+Y 平均

14

hybrid Y

5

垂直アパーチャ [mm]垂直アパーチャ [mm]

12
10
8
6

4

3

2

4
1

2

0

0
-6

-4

-2

0
運動量偏差 [%]

2

4

6

-6

-4

-2

0
運動量偏差 [%]

• いずれも短時間での簡易的な最適化後。
• HMBAのケースについては、ハイブリッドリングに対してのみ、標準的な誤差を仮定して100通りの平均を計算。DDBAをもとにした場合については誤差無しの場合で、通常セルだけのリングとハイブリッドリングとの⽐較。
• 1cm程度の水平アパーチャは確保でき、ひとまずOKといえそう。（更に広げるための最適化は継続して行う必要がある。）（6系下崎氏との共同計算）

パラメータHMBAベースのハイブリッドリング
偏向電磁⽯
エネルギー

DDBAベースのハイブリッドリング

HMBA ring

等時セルリング

HBR

通常

通常

通常

3

E [GeV]

エネルギー

HMBA

ラティスの型

偏向電磁⽯

DDBA ring

等時セルリング

HBR

通常

通常

通常

E [GeV]

ラティスの型

通常セル数

20

0

5

通常セル数

16

16

6

R56〜0セル数

0

20

15

R56〜0セル数

0

15

10

⻑周期数

Ns

20

20

1

周⻑

C [m]

565.0

565.0

565.0

RF周波数

fRF[MHz]

500.0

500.0

500.0

⻑周期数

16

16

1

C [m]

348.8

348.8

348.8

RF周波数

fRF[MHz]

500.0

508.9

508.8

h

944

ハーモニック数

VRF[MV]

2.5

RF電圧

ハーモニック数
RF電圧

Ns

周⻑

h

592

VRF[MV]

3.6

Bucket height

%

4.79

-

9.33

Bucket height

%

4.70

-

Energy loss

MeV/rev

0.29

0.39

0.37

Energy loss

MeV/rev

0.62

0.83

0.75

α

1.995E-04-5.812E-07

4.958E-05

α4.262E-04-9.093E-07

1.594E-04

モーメンタムコンパクション

47.15/17.22

ベータトロンチューン

νx,νydamping time x/y/z[ms]

20.4/38.4/34.3

8.61/28.7/-84.8

10.1/30.7/-0.62

蓄積モード電流

[mA]

500

-

水平自然エミッタンス[nmrad]0.15

エネルギー拡がり

x10-4

バンチ⻑

mm

モーメンタムコンパクション

28.17/9.23

ベータトロンチューン

νx,νydamping time x/y/z[ms]

8.12/1.12/6.93

3.23/8.43/21.7500

蓄積モード電流

[mA]

500

-

500

0.25

0.24

水平自然エミッタンス[nmrad]

1.15

0.55

0.66

7.32E+00

1.40E-03

3.64E-03

エネルギー拡がり

x10-4

8.42E-04

1.80E-03

1.26E-03

2.64

0.27

6.56

バンチ⻑

mm

2.89

0.28

2.65

LINACのパラメータ
マクロパルス繰り返し

7.30

10Hz

電子バンチ⻑

50fs

マクロパルス⻑

1ms

エネルギー拡がり

0.50%

RFフラットトップ⻑

0.6ms

運転時の加速勾配

30MV/m

バンチ電荷

1nC

3GeVに必要な全9セル超伝導加速空洞数

96

規格化エミッタンス

0.6mmmrad

3GeVに必要なクライオモジュール数

自然エミッタンス(3GeV)

0.1nmradRFによる動的冷凍機負荷(2K)

1W/module
16W/module

マクロパルス内の電子バンチ数10000

熱流入等による静的冷凍機負荷(2K)

マクロパルス内の電子周波数

18MHz

必要な冷凍機容量(2K)

12

200W

4.17/9.30/12.1

DDBA HB
•

R56

10
0

•

R56

R56 [mm]

-10
-20

•

-30

-40
-50

•

-60
0

50

100

150

200
250
軌道長 [m]300

350

1.E-07

RMSエミッタンス [m rad]1.E-12

バンチ長 [s]1.E-1250fs_1nC
1ps_1nC

6.E-1350fs_1fC
1ps_10nC

4.E-13バンチ⻑は400fs程度まで⻑くなるが、エミッタンス増大は1nmrad程度までに留まる。
バンチ⻑1psで0.1nmradを維持可能。

400

1.E-12

8.E-13

一周分の計算を示すが、実際は等時セル部の終端でビームを取り出し、ダンプへ導く。
elegantによる計算。⻑直線部中央のリング中
心軌道上から、電荷1nC、エミッタンス
100pmrad、バンチ⻑50fs、エネルギー拡がり
0.05%のガウス分布ビームをトラッキング。

1.E-08

1.E-09

1.E-10ex(50fs_1nC)

ex(1ps_1nC)

ex(1ps_10nC)

200

300

2.E-13
1.E-110

0.E+000100200
軌道長 [m]

300

400

100
軌道長 [m]HMBA HB
R56

5

•
•

0

R56

R56 [mm]

-5

•

-10

バンチ⻑はほとんど伸びない。
その為か、エミッタンスは10nmrad程度まで増大。
バンチ⻑1psにすれば、エミッタンス
100pmradを維持できる。

-15
-20
-25
1.E-07

-30
0

100

200

300
400
軌道長 [m]500

600

2.E-12
1.E-12
1.E-1250fs_1nC

1ps_1nC

50fs_1fC

1ps_10nC

RMSエミッタンス [m rad]1.E-08

バンチ長 [s]1.E-12
8.E-13
6.E-13
4.E-13

1.E-09

1.E-10ex(50fs_1nC)

2.E-13ex(1ps_1nC)

ex(1ps_10nC)
1.E-11

0.E+00
0

100

200

300
軌道長 [m]

400

500

600

0

100

200

300
軌道長 [m]

400

500

600

検討のまとめ••••

DBA(NSLS II)、DDBA（東北放射光、デザインレポートより推定）、HMBA（KEK-LS）の３通りのラティスをベースに一通りの検討を行った。
• DBA (NSLS IIベース) : Hi β、Low β交互で直線部30箇所。周⻑792m• DDBA (東北放射光ベース）： ⻑直線部16本、短直線部16本、周⻑340m• MHBA(KEK-LSベース)：⻑直線部20本、短直線部20本、周⻑570m
いずれも、分散が最も大きい部分の4極を機能結合型の逆ベンドにすることで、通常セルのオプティクスから大きく乖離しないで等時セルが構築できることが分かった。
SPビームの通過する部分を等時セル、残りを通常セルとして仮想的なリングを構築、蓄積モードのダイナミックアパーチャ、シングルパスモードのバンチ⻑とエミッタンスを調べた。
いずれのケースでも、短時間の最適化のみで蓄積リングとして成立するレベルのダイナ
ミックアパーチャは確保できた。（勿論もっと広い方が良いので、更に最適化を進める必要はある。） また、SPモード時のバンチ伸⻑は0.5ps程度までに抑えられ、特にHMBAの場合はほぼバンチ伸⻑無しで輸送できそうである。エミッタンス増大は避けられない（HMBAの場合は特に大きくなる）が、初期バンチ⻑を1psにすれば、エミッタンス増大はほぼ回避できる。

今後の課題•放射線安全の検討は重要。高速インターロックの設計検討、実地試験も必要。
• ロスモニタはPF/ARに導入され、入射の最適化などに利用されている。
• アボートキッカーはKEKBでは導入されている。真空封止挿入光源保護にも役立つので、PFでも検討する予定。
• cERLではビームロス低減とその維持が性能に直結する。（シールド厚が薄いため。） 現在最大1mAで運転中だが、10mAへの増強を検討中。やることは同じ（むしろ低エネルギーの方が難しい）が、3GeVと30MeVでは不具合発生時の被害が桁違い。

•

第３世代以上のラティスでおよそ成立することは分かったので、具体的な周⻑、ビームライン数、入出射、空洞の配置などを検討。
リング直線部中央からガウス分布ビームをトラッキングしている。LINACを含めた現実的な全体としてのシミュレーションを行えるように。
具体的な各挿入光源部分でのSPビーム位置、独立制御の検討。SR、SPビーム切り替え（軌道バンプ）の検討。
挿入光源、真空ダクトインピーダンスのビーム品質に与える影響の検討。
蓄積リングとしての性能の最適化、大電荷孤立蓄積バンチや垂直超伝導ウィグラーの検討。

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EuroXFELの加速器部分を理解し、作れるようになること。
• 主加速区部分のハードはOK。
• バンチ圧縮、ビームダイナミクスを理解して最適化する。

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引き続き、cERLで電子銃開発、大電流高品質ビームの試験を行う。
• CASA、5系（LINAC）、3系（冷凍機、理論）との共同研究。
• STFにおける空洞試験も重要。

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PF/AR/cERL/STFでできる内容はハードウェアを含めてR&Dを継続、開始。PF/ARの高度化にも活かす。