WORKSHOP AND COMMITTEE REPORT

ERL-2005会議報告およびSLAC訪問記

財団法人高輝度光科学研究センター
加速器部門
冨澤 宏光

SPring-8等の第三世代放射光源に続く次世代放射

まず初めにエネルギー回収型リニアック

光源といわれるものの一つに、エネルギー回収型リ（Energy-Recovery Linac; ERL）について簡単に説ニアック（Energy-Recovery Linac; ERL）がある。

明する。ERLでは線型加速器（リニアック）から一このほど、ERLに関する国際ワークショップ

旦出射された電子ビームを上流側に戻してやり、高（ERL-2005）が３月18日〜23日に米国ヴァージニア

周波（RF）のタイミングを180°ずらして再度加速州のThomas Jefferson National Accelerator

空胴に入射する。そのとき電子ビームは加速空胴内Facility（JLAB）にて開催された。本ワークショッで減速されて、そのエネルギーだけが空胴に回収さプは、加速器の将来計画を議論する国際組織である

れる。これをERL放射光として用いる場合は、アンICFA （International Committee for Future

ジュレータ等の挿入光源がこのリターンアーク軌道

Accelerators）が主催する一連のワークショップの内の途中に多数設置され、多数のユーザに同時に放一つ（The 32nd Advanced ICFA Beam Dynamics

射光を提供できるようにする。一見、形状からするWorkshop）として、JLab、Cornell大学とリング加速器のようであるが実質はリニアックそBrookhaven Lab., Daresbury Lab.の共催で開かれのものである。平均輝度や平均フラックスなどのた。今回のワークショップはERLに関する初めてのERL放射光パラメータを計算したメモ（Cornell大国際ワークショップである。

学のQun Shen氏による）の図を引用するので参考

ERL放射光源での各運転モードの説明：3つのモードについて、放射光パラメータを計算したメモ（Cornell大学のQun Shen氏による）の図、説明から引用。
"hi-coherent mode" と呼ぶ運転モードでは、6 GeV に加速した時に0.1 nmのX線で回折限界となる（コヒーレントとなる）条件として電子ビームのエミッタンスは0.1 mm·mrad。この時の電荷量は8 pC（1.3 GHz で 10 mA）が目標。
これとは別に "hi-flux mode" があり、こちらは電流100 mA（77 pC × 1.3 GHz）が目標。この時のエミッタンスは1 mm·mradを想定。
最後の "ultrafast mode"は、100 fsのバンチ生成が目標で、それぞれ1 nC、1 mm·mrad。
200 SPring-8 Information／Vol.10 No.3 MAY 2005

研究会等報告にして頂きたい。

は苦しんでいるわけである）。

さて、このERLやX-FEL等のリニアックを基本加

私はこれまでERLに関する仕事をしてきたわけで速器とした、次世代放射光源には最高品質（極低エはないが、JASRI加速器部門で開発している次世代ミッタンス）の電子源が必要不可欠とされる。第３電子銃（フォトカソードRF電子銃）用の世界最高世代放射光源までは、入射器の電子ビームの品質品質レーザ光源を開発している。このレーザ光源が（エミッタンス）には寄らず、蓄積リングで電子ビそのまま連続運転のERLで使えるわけではない。しームが放射光を出しながら周回することで、最終的かし、我々が開発しているレーザパルス整形に関すに平衡エミッタンス（電子ビームの放射減衰と励起る技術がERLにも有用であるとのことで、招待講演の平衡状態によって決まる）と呼ばれる品質になる。の依頼によろこんで応えることにした。次世代X線

したがって、従来は電子源にそれほどの電子ビーム光源には輝度に加え、短パルス性（フェムト秒）、の品質（低エミッタンス）を求められなかったため、コヒーレント性などの進化が必要になり、その実現熱カソード電子銃を用いても十分であった。しかし、にはいろいろな要素技術の開発が不可欠になる。今次世代放射光源ではこの平衡エミッタンスよりさら回、ワークショップに参加する機会を与えられたこに良質の電子ビームが光源として求められるためとで、ERL関連の他分野の技術情報も得られた。ワに、最上流の電子銃から極低エミッタンスの電子をークショップ終了後、少し回り道をして、スタンフ供給する必要が出てきた。ERLではこの極低エミッォード線型加速器センター（SLAC）に立ち寄り、タンスの電子ビームを蓄積しないで一周で捨て、放そこのTheory Clubで１時間ほどJASRI加速器部門

射励起で電子ビームのエミッタンスが悪化しないうでのRF電子銃開発の現状について講演してきた。

ちに放射光を取り出す。そのために連続運転、すなその訪問記もあわせて報告する。

わち大電流動作が必要となる。電子ビームを捨てる

参加者数は158名であり、うち日本からは10名ときにそのエネルギーを高周波（RF）エネルギー（原研：５名、KEK：４名、JASRI：１名）であっとして回収して、大電流動作ができないリニアックた。パラレルセッションが多く、残念ながら全てのの課題を克服するというものである。この方式がエ

会議報告・議論を聞くことはできなかった。したがネルギー回収型リニアックと言われる所以である。って、直接参加できた範囲での会議の様子を中心にこれに必要な新世代電子銃がレーザを火種として電報告する。

子を生成するフォトカソード電子銃である。このタ会議初日は全体講演として、まずは現在運転中のイプの電子銃はレーザパルスをコントロールするこ

３つのERL施設の報告があった。JLabと原研は、とで、電子ビームの品質を自由にできるのが特徴でそれぞれ160 MeV、17 MeVの超伝導ERLを運転しある。当然ながら、今度はレーザの品質が問題となている。それぞれ高出力自由電子レーザ、コヒーレるわけである（電子ビームの品質保証の責任は全て

ント放射光（テラヘルツ、ミリ波）の発生と利用をレーザに転嫁されるため、レーザ光源担当者の著者進めている。このうちJLab ERL施設は３月20日にラボ・ツアーがあったので、そのときに撮影したものを掲載する。これに対して、Budker研究所（ロシア）では、12 MeVのERL（唯一の常伝導ERL）で、テラヘルツ帯のFEL発生を行っている。さらに
50 MeVの電子エネルギーを得るために、４周回のERLへの改造が来年には完了するそうである。全体
講演の後半は、エネルギー回収技術に基づく加速器の将来計画として、高出力FEL、X線放射光源（フェムト秒放射光源）、原子核実験用高エネルギー衝
突加速器（イオンビームをその高品質化（低エミッタンス化）のために低エミッタンス電子ビームで冷却する）の３種類が紹介されていた。ERLがこのように広範な加速器の将来計画と関係していることをJLab ERL加速器施設（3月20日のERL Tourにて著者撮影）初めて知った。さらに、要素技術のレビューとして、
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WORKSHOP AND COMMITTEE REPORT

電子銃／入射器、ビーム動力学、超伝導空胴、タイらすアイデアを披露していた。特にインパクトが強ミング同期とビーム診断についての講演が続き、最かったのは、加速初期の電子ビームの理想パルス形

後に超伝導空胴の量産化への課題が示された。超伝状が従来のビール缶の形ではなく、ラグビーボール

導空胴は国際協力で建設される予定のリニアコライ型の方が格段と低いエミッタンスを実現できるといダーにも昨年度正式に採用されたこともあり、量産う、最新のシミュレーション結果をC. Limborg女化技術は今後進むであろう。

史（SLAC）が明確に示していたことだ（WG-１のERL放射光施設として世界で４箇所がシミュレーまとめでもション等により、具体的な計画へ向けての詳細検討ほどだ）。

No more beer can!と言われていたしているが、そのうち２つの計画がすでに資金を獲私がこのワーキング・グループの進行で感心した得している。Daresbury Lab.（英国）では700のは、発表よりも議論の時間の方が長くとってある

MeVの放射光源4GLSが計画されており、2006年３ことであった。細かく分かれたセッションで、それ月までにプロトタイプ（35 MeV-ERL）が完成予定

ぞれの発表の後に５〜10分程度の質問時間があるのである。放射光源（700 MeV）についても設計研究は通常通りであったが、細かく分かれた各セッショの予算が手当されている。もう一方のCornell大学

ンの終わりには１時間程度激しく議論がなされ、充では5〜7 GeVのERL放射光源が計画されているが、実して面白かった。また議論の内容がまとめられてこのほど入射器建設予算として1800万ドルの予算がスクリーンにリアルタイムで映し出されるという、認められた。この入射器は放射光源として使用可能な

私が今まで参加した中では最も議論に重点を置いたように、100 mAの大電流連続入射と、0.1 mm·mrad会議だったと思う。日本での今後のワークショップの規格化エミッタンス（X線放射光がコヒーレントでも参考にするべきである。しかし、こういう会議になる条件を満たす）を実現する設計になっている。

だと必ずといっていいほど、日本人は発言しない。

会議の二日目からは４つのワーキング・グループしたがって存在が無視され、結果としてアイデアが（WG）に分かれて個別の課題について議論が続け向こうの成果になってしまうこともしばしばであられた。各ワーキング・グループでの印象に残ったる。非常に残念なことである。私はレーザ光源に関発表の要約とその個人的な感想を以下に述べていく

してのみ意見を述べていればよかったのかもしれなことにする。WG-１以外の内容は羽島氏（原研）といが、我々のグループの他の研究成果についても同諏訪田氏（KEK）の会議報告を参考にさせて頂い僚を代弁して意見を述べることにした。特にシミュた（羽島氏のご好意による）。会議のプログラム、レーション（カソード直近での鏡像電荷効果の問題）

発表原稿など詳しくは以下のサイトを参照して頂きやカソード（電子生成の応答性の問題）に関する問たい。

題点で意見し、欧米の研究者と激しく議論の応酬をhttp://www.jlab.org/intralab/calendar/archive04/

することになった。加速器部門では水野氏が独自のerl/index.html

シミュレーション・コードを、谷内氏が独創的なRF

WG-1は電子銃と入射器（Electron Guns and電子銃空胴を開発しており、常にグループ内では基Injector Design）についてである。私はこのワーキ礎的な問題に関する議論が活発である。常日頃、先ング・グループに会議開催中、終始参加していた。

輩たちに鍛えられている甲斐があって、元来門外漢

ここはレーザ光源、カソード開発、電子銃設計に亘である私も十分に議論をわたり合うことができた。

る広範な課題を含んでいて、議論が様々な観点からまた、ここでの議論では遺伝的アルゴリズムの加なされ個人的に勉強になった。次世代放射光で用い速器パラメータ最適化に応用する可能性の議論が注られるフォトカソードDC電子銃開発に関しては、目を集めていたように思う。遺伝的アルゴリズムとJLAB-ERL（10 mA）をたたき台にして100 mAまは生物の進化と同じように、世代交代を通じて適者で電流を増大させる場合の様々な具体的な問題点が生存の原理で選択することで最適解を求める方法で検討された。十分なカソード寿命を得るには、高いある。３年前にCornell大学で、電子ビームが最小エ真空度を達成することに加え、逆流イオン（ionミッタンスになるように、パラメータの多いレーザback-bombardment）の効果を抑止するために電極のパルスの理想形状を最適化するための、遺伝的アル暗電流を減らす必要がある。C. Sinclair氏（Cornell）

ゴリズムの応用について講演してきたことがある。

は電極に特殊な誘電体を塗付することで暗電流を減当然ながら、入射器の設計全体では低エミッタンス電

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研究会等報告

子ビームを得るためにはさらに多数のパラメータを最式を用いることで抑止できるとの提案がV.

適化する必要がある。今回、I. Bazarov氏（Cornell）Litvinenko氏（Brookhaven）からなされた。また、が遺伝子アルゴリズムを用いて20以上のパラメータ大電流加速の障害となるビーム・ブレークアップを同時に最適化する方法が有効であることを示した。 （BBU）の抑止には、電子ビームを（x,y）平面上で彼の設計では、80 pCの電子バンチ（100 mAの平均回転させるような輸送系が有効であるとのアイデア
電流に相当）で0.1 mm · mradの規格化エミッタンスがT. Smith氏（Stanford）から出され、この方法にが得られており、従来の値よりも１桁小さなエミッ基づいたビーム輸送系の改造作業がJLAB-ERLで進タンス（２桁高い放射光輝度に対応）となっている。

められている。この改造によりBBUの閾値電流が彼らは動き出したら非常に早い。シミュレーション100倍になり、不安定現象は解消される見込みである。

だけでとはいえ、この２年間で追い抜かれてしまっ電子ビーム軌道の安定化については、V. Lebedev氏た。このセッションの議論で、カソードの不均一性がCEBAF（6 GeV超伝導リニアック）における例をレーザパルスの整形を通じて電子ビームを見ながを紹介した。長時間の変動（気温、潮夕作用など）

ら遺伝的アルゴリズムでできるという提案をしたとと短時間の変動（主に商用電源の周波数成分）のそころ、皆の印象に残ったのか最後に私の提案としてれぞれについてフィードバックを施すことで、広い全体のまとめで紹介されていた。実はこの提案は２周波数帯域に亘り10 μm以下の位置精度で軌道安年前の論文で既に発表してあるのだが、今回初めて定性が（運動量分散のある位置で）得られている。

認知されたらしい。やはり実際に発言する方が国際高分解能のビーム位置モニタを用いれば、さらに高的に認知されるには一番有効なようである。

い安定度が得られ、次世代放射光源の要求を満たすレーザ光源に関してはMichelle Shinn女史（JLAB）ことが可能であるとの結論であった。また実現のほと私の２人が発表者であった。彼女は主にERLの光どは分からないが、SPring-8と同じ第三世代放射光源としてどのようなレーザを選んだらいいかという施設であるAPS（Advanced Photon Source）をERL

話で、ファイバーレーザがよいだろうという主張でにアップグレードする可能性についてM. Borland氏あった。私はレーザの安定化とレーザパルスの自動（APS）が発表していた。電荷量は100 pC以下、バ整形の話を中心にした。自動整形に関しては、レーンチ長が300 fs以上であれば、CSR効果（電子の短ザ強度の空間分布は補償ミラーと遺伝的アルゴリズバンチ集群のエミッタンスが、自ら出したコヒーレ

ムで、時間分布は空間位相変調器と焼き鈍し法によント放射により悪化する効果）を入れても一周回はる最適整形の実験結果を初めて報告した。また、可能で輝度は一桁上がるとの結果を出していた。

我々の0.3 TWのTi：Saレーザは基本波で長期の安WG-3は 超 伝 導 空 胴 と RF制 御 （ SRF and RF

定度が0.2 ％（rms）という世界の他の同等のものよControl）についてである。超伝導空胴形状の最適り一桁高く安定で、世界のトップである。このこと化、クライオモジュールの設計、カップラーやチュは非常に重要であるにもかかわらず、彼らの関心はーナーの設計、RF源の選定などの話題は、すでにアクティブに制御してレーザ光源を高品質化する話

稼働中の超伝導リニアック（TESLA Test Facility、の方であった。いつも思うことだがどうも欧米では、CEBAFなど）に加えて、急速に立ち上がりつつあ

このような基礎的で地味な話はエンジニアの仕事とる国際リニアコライダー（ILC）の研究成果を大い割り切っているようである。したがって、よりインに参考にしながら議論が進められた。これらのコンテリジェンス？なアクティブに制御するお話の方がポーネントに関する限り、ERLの主加速器には技術興味を持つようだ。多分、そこが彼らの弱点である的障害が基本的に存在しないが、低コスト化を目指と思う。

す工夫が必要であるとの認識が示された。ERL固有

WG-2は電子ビーム動力学と輸送系（Optics andの問題として、大出力のHOM（超伝導空胴の高次Beam Transport）についてである。このワーキンモード）を効率的に取り出す技術が必要である。そグ・グループでは、大電流の電子ビームを安定に加の一例として、梅森氏（KEK）は半径方向に設け速し、エネルギーを回収するための技術課題についたスロットでHOMを取り出す手法を提案し試作装て議論がなされた。低エネルギー（入射）電子と高エネルギー電子の合流部で生じる空間電荷効果によ置における測定結果を報告した。
WG-4はタイミング同期とビーム診断（Synchronization

る入射電子のエミッタンス劣化は、ジグザグ合流方Diagnostics, and Instrumentation）についてである。
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WORKSHOP AND COMMITTEE REPORTこれは特にフェムト秒のERL放射光ユーザーにはとクショップであった。今回のERLワークショップはっては重要なテーマである。超伝導加速器の特徴の大成功だったのではないだろうか。2年後にひとつに高い位相安定性（電子バンチのタイミングDaresbury Lab. にてERL-2007が開催されることが安定性）がある。すでに20〜65 fs（1.5 GHzで0.01決まり閉幕した。

〜0.03度）の安定性が複数の加速器で得られている。

ワークショップが終わり、帰国前にカリフォル

ERL放射光を用いた時分割実験で鍵となる電子バン

ニア州に寄り、レーザ関連会社２社の訪問とチと外部レーザとの同期には、基準信号の安定な分SLACでRF電子銃開発の現状について講演してき配システム（フィードバックを施した光ファイバー）た。３月25日の午前中はV. Dolgashev氏（SLAC）に加えてレーザとRFの高精度な同期技術が必要との招きで、SPring-8の世界最高加速電界で運転しなる。これらすべてを含んだタイミング精度として、ているSバンドＲＦ電子銃について、Theory Club

100 fsは容易に実現可能、10 fsも十分に到達可能と（http://www.slac.stanford.edu/grp/ara/meetings/の力強い展望が示された。

theoryclub/archive2004-2005.htm参照のこと）で話最終日の全体講演では各ワーキング・グループのした。また、SLACで新規購入するレーザ光源検討まとめがあるため、前日はサブ・グループに分かれの打ち合わせに午後は出席することになっていたたて議論することになった。私はレーザとカソードのめ、ハードスケジュールになってしまったが、レー最適化に関するサブ・グループに参加することとなザ光源の高品質化に関して議論できたことは有意義った。理想的なレーザ光源とカソードの組み合わせであった。SLACで、我々がどのように安定な（世について議論が白熱し、結局夜中までメールで議論界よりも一桁良い）レーザ光源を実現したかと質問が続くこととなった。翌朝にはようやく議論をまとされ、 これはSPring-8の文化です

め、全体のワーキング・グループの中でI. Ben-Zvi氏

もちろん、技術的には恒温恒湿環境試験クリーンルによって報告された。実質四日半の会議であったが、ームや温調ベースプレートの開発があったからであ

各セッションともに議論が白熱し、内容の濃いワーる。しかし、この研究はSPring-8だからこそできたの

ERL-2005参加者の集合写真（Lia Merminga 博士の御厚意による）
204 SPring-8 Information／Vol.10 No.3 MAY 2005と回答した。

研究会等報告ではないかと思うのである。こういう安定化のために物事の本質を見極める精神は、短期的またはチャンピオンデータ的な成果をすぐに求める場所では育たなかったことと思う。この「文化」は、SPring-8研
究者のユーザー・ファシリティを維持管理する義務とそれを研究成果につなげたいという熱意が結実したものと思う。最近まで日刊工業新聞で連載されていたSPring-8の挑戦Ⅰ＆Ⅱの記事に目を通してみると、ここが建設前に各候補地での岩盤調査から始まり、蓄積リング電磁石の超精密アライメント、入射器の高度安定化、最近では、理想的なトップアップが「求める時間構造を持った高輝度光パルスが、一定の強度で安定に供給される」形で実現された等々、「安定」の文字が数多く見受けられる。昨年暮れにスイスで開催された第３回軌道安定化ワークショップ（SPring-8利用者情報誌Vol.10 No.2 2005.3 pp.125〜
128参照のこと）が、SPring-8発祥の国際ワークショップであることも自ずとうなずける。先にも触れたが、欧米の研究者の関心はどちらかというとアクティブに制御して安定化するという感じであるが、SPring-8の研究者が行ってきたことは基礎的で地味ではあるが本質的な話である。こういう基礎的な話をエンジニアの仕事と割り切っていると、その先にある新しいサイエンスの芽を観る大切な眼を失ってしまうのではないだろうか。ここSPring-8には「本質的に安定化」するという「文化」が育まれていると思うのは私だけであろうか。シスコ発の帰国便の中で私はこんなことを考えていた。

冨澤 宏光 TOMIZAWA Hiromitsu（財）
高輝度光科学研究センター
加速器部門 線型加速器グループ 副主幹研究員〒679-5198 兵庫県佐用郡三日月町光都1-1-1
TEL：0791-58-0851 FAX：0791-58-0850
e-mail：hiro@spring8.or.jp

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