ICFA Workshop on Future Light Sources

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March 5-9, 2012
Thomas Jefferson National Accelerator Facility

FLS2012報告
坂中章悟、阪井寛志、宮島司、島田美帆
KEK 加速器研究施設
2012/3/29 第60回ERL検討会

1v2a

Figure is cited from an opening talk by George Neil.

Outline
1. ワークショップについて
2. 主要な発表・議論の紹介
1. Opening
2. ERL
3. Storage Ring
4. FEL5. Compact Source

3. その他（議論、聞いた話）
4. まとめ2

参加者記念撮影

3

1. ワークショップについてワーキンググループ
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•
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Storage Ring Based Light Source
ERL Based Light Source
FEL Based Light Source
Compact Light Source
Electron Sources
Timing and Diagnostics
Undulators and Insertions

Planary talk では、上記の7分野に加えて、Science, Beamline の話もあった

日本からの参加者••

東北大： 2名 → 東北放射光計画の発表
Spring-8/Riken からはなし（Hettel氏のトーク中にSPring-8IIのスライドあり）

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KEK/JAEA からの発表
ワーキンググループで7件の発表をした

ERL WG••••••

S. Sakanaka, “Status of the ERL Project in Japan”
S. Sakanaka, “Plans of XFELO in Future ERL Facilities” (Joint)
M. Shimada, “Lattice and optics design of both compact ERL and 3-GeV ERL projects”
M. Shimada, “X-RAY LIGHT SOURCE BY INVERSE COMPTON SCATTERING OF CSR”
T. Miyajima, ”Development of an Injector for the compact ERL”
H. Sakai,“ERL Cryomodule Development in Japan”

Electron Source WG•N. Nishimori, “Status of 500-kV DC gun at JAEA”
5

２．主な発表・議論の紹介

6

Opening のスライドより(George Neil, JLab)

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9

10

ERL WG & Plenary Talk
(Conveners: Susan Smith, Bettina Kuske）

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ERL-WGでの主な発表
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•
•
•
•

日本のERL計画（我々）
BerlinPro: 50 MeV, 100 mA (Jankowiak, B. Kuske)
Cornell ERL: Plenary talk のみ （Bazarov）
ALICE: シミュレーションとビーム運転の比較 (Kalinin, Smith)
JLab: ERL/FEL Status & Activities (D. Douglas)
その他– Long undulator のERLへの影響（Borland）– ERLへのアンジュレータの影響（Jim Clarke）– eRHIC での FEL option (30 GeV) 用のバンチ圧縮器の検討 (Yichao Jing)•Unwanted beam loss (Joint）– Problems observed at PITZ (Krasinikov)– Unwanted beam observations at ELBE (Teichert)
SC-RF gun からの暗電流（field emission）の問題などを報告
常伝導RF電子銃（LBNL）でも同様に暗電流が大きいとのこと– DC/SC-RF/N-RF のどの電子銃でもカソード表面電場は～10 MV/m 程度で同程度とのこと。空間電荷によるエミッタンス増大は表面電場でかなり決まるので、ど12れも同程度ではないかとの話あり。

Tentative Layout of 3-GeV ERL at KEK
Courtesy: N. Nakamura, M. Shimada, Y. Kobayashi

 BeamBeam energy
energy Full
Full energy:
energy: 33 GeV
GeV Injection
Injection andand dump
dump :10:10 MeV
MeV Geometry
Geometry From
From thethe injection
injection merger
merger toto thethe dump
dump

line
line :: ~~ 2000
2000 mm
 Linac
Linac length
length :: 470
470 mm Straight
Straight sections
sections forfor ID’s
ID’s
 22
22 xx 66 m
m shortshort straightstraight
 66 xx 30
30 mm longlong straightstraight

Overall beam optics (merger → dump)

Acceleration

Deceleration13Cornell ERL Layout

The 15MeV injector IN sends electrons into a 2.8GeV Linac LA to be turned around by TA into
a 2.2GeV Linac LB. After X‐ray production in the south arc SA, return through CEsr and X‐raysin the north arc NA, the beam energy is recovered in the Linacs before being stopped at14DU.
14Existing Prototype Injector

cryomodule

beam stop

experimental beamlines

photocathodeDC gunbuncher

Cornell currently operates a prototype ERL injector.
The team has measured core emittances (the central2/3 of the bunch) of 0.3 mm-mrad for 80 pC
bunches and 0.15 mm-mrad for 20 pC bunches, andexpect these numbers to improve as the gun voltage
is increased.
In February 2002, Cornell’s prototype injector
delivered a continuous-duty current of 50 mA. Thisis the world record for any laser-driven
photocathode electron gun.

15

15

BERLinPro Status

A. Jankowiak (HZB)

16

BERLinPro (SRF Gun)

A. Jankowiak (HZB)

17

BERLinPro (Radiation shielding)

A. Jankowiak (HZB)

18

BERLinPro (Schedule)

A. Jankowiak (HZB)

19

ALICE Status & NewsSusan Smith (ASTeCH)

20

ALICE Status & News

Susan Smith (ASTeCH)

21

ALICE Status & News

Susan Smith (ASTeCH)

22

Joint session
FEL & ERL (XFEL-O)

23

Plan of XFELO in KEK-ERL
We expect the possibilities of:[2] J. Dai, H. Deng, Z. Dai, Phys. Rev. Lett.
108, 034802 (2012).

driving XFELO at 6 GeV, orharmonic lasing scheme at 3 - 3.5 GeV [2].

Figure is cited from [1](2) XFEL-O at E=3 GeV
3GeV ERLrf/2 path-lengthchanger

6-7 GeV(1) XFEL-O at E=6 GeV
24XFELO Option in the Cornell ERL

The Cornell ERL normally injects electron bunches at 15 MeV, accelerates them to 2.8 GeV
in Linac A (LA), and another 2.2 GeV in Linac B (LB) to yield 5 GeV in the user region,
followed by deceleration. By taking an extra acceleration turn through LA, an XFELO could
be operated at 7.8 GeV.

25
[Cornell ERL PDDR 2011]25

Overview of XFELO Parameters

R.R. Lindberg (ANL)26

Joint session
Unwanted Beam Loss27

Diagnostics Related to the Unwanted Beam

Pavel Evtushenko (JLab)

４種類のunwanted beam••••Beam dynamics によるハロー形成
レーザーのゴーストパルス
レーザーの散乱、反射、レーザーのタイミングずれ
Field emission （電子銃、空洞）28

Unwanted Beam Observations at ELBE

J. Teichert (HZDR)

29

Unwanted Beam Observations at ELBE

J. Teichert (HZDR)

30

Unwanted Beam Observations at ELBE

J. Teichert (HZDR)

Dark current••

20%はカソードより発生80%はcavityより発生（カソードあり/なしで測定）• エネルギーをspectrometerで測定• 常伝導RF電子銃（LBNLなど）でも、同様のDark Currentの発生があるとの事 （超伝導電子銃だから悪い訳ではない）
31

Storage Ring
WG & Plenary Talk

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Bob Hettel (SLAC)

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PEP-X における Dynamic Apaerture の改善

Yunhai Cai (SLAC)

Resonances のキャンセル方法•••

Cancellation of All Geometric 3rd and 4th
Resonances Driven by Strong Sextupoles
except 2x-2yHarmonic Sextupoles
For Tune Shifts and 2x-2yResonance
4th Order Geometric Achromat
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Bob Hettel (SLAC)35

PEP-X のオプション ?

Bob Hettel (SLAC)

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SPring-8 II

T. Watanabe（Bob Hettel が代理発表）

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Tevatron-Size USR の検討

Michael Borland (ANL)

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(LSEJ)

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Compact Source
WG & Plenary Talk

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Prospects for a Laser-Plasma Accelerator Based FEL Carl B. Schroeder (LBNL)

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Intense Super-radiant X-rays from a Compact Source

W.S. Graves (MIT)アイディア•••

横方向に濃淡のあるビームを出す
Emittance exchangeにより、縦方向にバンチしたビームを作る
Super-radiant X-ray を発生

コメント
••

Super-radiant を発生させるためには横方法
emittanceも小さくないといけないのでは？
(Zholents氏)
空間電荷効果の影響は受けないか？

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FEL
Plenary Talk

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Some R&D Toward Brighter X-ray FEL

Zhirong Huang (SLAC)

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３．その他（ERL WG での議論やCoffee Break の時に聞いた話など）

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その他（超伝導空洞まわり）
空洞横のゲートバルブのシール••••

シール材としてvitonが良く、metal はダメとの主張あり（Tom Powers）
SNS, ALICEはviton、Cornell injector, cERL はmetal とのこと後でBob Rimmerに聞いたところ、シール材がmetalでダメという話はない。内部をクリーンにする事が大切で、ゲートバルブは分解、cleaningして使っている。RFシールド付きは分解が難しいのでcleaningしていない。
JLabではRFシールド付きを使用しているはず（Rimmer）

Fast Closing Valve (FCV)は必要か？
••

JLab-FELでは、主リニアックの両端に設置。役に立つ（Dave Douglas）
主に、FEL/THzビームラインからのガス突入を警戒

CEBAFでの話 (Rimmer）•CEBAFの超伝導空洞は、年に1～2%の数の空洞で、field emission が増加してしまう現象がある。全く真空を開けていなくても。原因は不明だが、ビームでのdust trappingによりゴミが運ばれてくる可能性もあるのではない
46か？

その他（超伝導空洞まわり）
入射器用カップラー•

KEKの設計では内導体を水冷しているが、冷却水が止まった時に凍結してリークする事はないのか？どういう対策を取るのか？ （TRIUMFでの議論で）47

その他（THz trap、ビーム調整）
THz trap••

テラヘルツ光を吸収するために、銅チェンバーの内側に溝を付けたTHztrap というものをJLabでは設置している。→ これが必要との主張あり
George Neil によると、FEL用共振器ミラー（液体ヘリウム冷却）をTHz光による発熱から守るものだとの事。

ビーム調整になぜビーム電流300nAが必要か？
•FEL用optical cavityのチューニングのためには、ある程度の電流が必要という事ではないか？（Dave Douglas）。ビーム輸送の調整だけならもっとlow currentでもできるのではないかと思われる。

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４．まとめ

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まとめ
ERL
Cornell, KEK などでのR&Dが着実に進んでいるとの印象
KEK/Cornell でのXFEL-O については、FELの専門家からの期待感を感じた。

••

Storage Ring••

PEP-X で dynamic aperture を大幅に改善した計算結果が報告され、参加者は注目しているようだった
Tevatron-sized USRについても関心を呼んでいた。スタディすべきことは多い模様。

FEL••
•

Hard X-ray用のseeding、tapered undulatorによるFEL効率改善、EEHGの実証実験、Delta Undulator などが話題の中心だった。
参加者は約35人とやや少なく、やや一段落していている印象
LCLS FEL光の利用実験・方法なども関心を集めていた

Compact Source•

レーザー・プラズマ加速器によるコンパクトX線FELが意外に有望そうな印象を与えていた50