放射光第 6 巻第 3 号( 1993年)

289

解説

PF リングの高輝度化計画
加藤政博，堀洋一郎， 小早川久

高エネルギー物理学研究所放射光実験施設

HighBrillianceConfigurationofthePhotonFactoryStorageRing,MasahiroKATO Yoichi
roHORIandHi
sashiKOBAYAKA
WAP
hotonFactory, Nation
alLabor司tory forHighEnergyPhysics
The2.5・GeY P
hotonFactorystorageringhasbee
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Sw
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alue(130nmrad).Thebrilliancewilbeincreasedtypicallybyafactoroften.

1.

はじめにに第 3 世代リングの時代に移行したのである。欧

1 0 年聞の不断の研究は PF リングの性能を次第

米はもとより，韓国 ・ 台湾など近隣諸国も先を競に向上させ，放射光専用リングとしては光のフラって高輝度リングの完成を急いでいるのが実状でックス強度，ビームの安定度において世界最高をある。高輝度リングとはビームのエミッタンスを誇るものとなった。しかしながら放射光として最下げ，放射光の輝度を飛躍的に向上させるものでも 重要な輝度 において，最近完成した高輝度 リンある。現在 PF リングのエミッタンスは 130nmrad

グ ESRF には及ばない。本格的な X 線高輝度リンであるが，グとして世界のトップを切った ESRF は，5 分の l の 27nmrad にすることができる 。偏向電磁を超す屯流を蓄積し ，100mA

しかも長寿命の運転に成功

リングを改造してやると，今のおよそ石 をいっさい動かさないので，ビームラインの位し.待ちかまえていたユーザーが早くも利用実験置は変わらない。そして輝度は，を開始した。 YUY の高輝度リングとして建設中でに事情は異なるが， 今より約 1 0 倍上がり，第 3 世あった米国の A LS も 400mA を超す電流の蓄積に代なみの輝度が得られる。しかしこれにはかなり成功したと伝えられる。このように，世界はすで大規模なリングの改造を必要とする。

ビームライン毎‑ 1‑(C) 1993 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

放射光第 6 巻第 3 号

2902. PF リングの現状と高輝度化計画の背景
2.1(1993 年)を予定通りにこなすためには最も重要なことである。仮に，通常のマシンのように 5%-10% 程度のPF ストレージ・リングの現状定常的なユーザー用の運転ではリングに朝 9 時

故障率であったら，実験日程の変更，宿泊・旅費に 360mA まで蓄積する。そのまま翌朝まで入射しの変更など膨大な事務量を現有のスタッフではとないが，寿命は 60-70 時間もあるので 24 日寺間後でても処理できない。

も 250mA 程度残っている。蓄積電流と寿命の積PF リングには 6 台の挿入光線があり，それぞれIτ はリングの総合的な性能をあらわすが 23 アンペの特徴を生かして利用されている。また問題のあア時という X 線リングとしては驚異的な値であるものは順次改良されてきている 1)る。毎年の大気開放にもかかわらず，年の夏に，300mA でも(表 1)01992

B1‑2 間 (BL2) の直線部のアンジュ

平均 2 X 10‑10 Torr の超高真空が保たれている 0レータに代えて導入された光クライストロンは，1987 年には初期から用いてきたラティスの改造を波長 177nm の自由電子レーザーを目指すものであ行い，エミッタンスを 130nmrad に下げ輝度の向る。自由電子レーザー実験のためにはビーム・エ上をはかった。ビームは 1988 年より陽電子であネルギーを 0.75GeV に下げ，単パンチまたは 4 パる。

ンチで運転される。最初はゲイン測定を行うこと故障率は低く 1992 年度のリングの故障時間は全から始めるが，ミラーの開発も同時に行ってい運転時間の 1% であった(図 1)0 91 年度の真空重て，高ゲインと高性能のミラーを得たところで発故障をのぞき毎年 1 %-2% 程度の非常に低い故障振をさせるものである。真空紫外から軟 X 線，率を維持している。このことは非常に多数のユー線へと短波長領域の自由電子レーザーを目指すたザーが入れかわり利用する超過密なスケジュールめには貴重な布石となろう。この光クライストロ(%)

108〆酬‘、mロwZH〆o~必岨T

山W』周回目叩符同

2。

1980

19851990

FiscalYear
Fig.
1 F
ailurerateo
fthephotonF
actor
ystoragering.

‑2‑x放射光(1993 年)

第 6 巻第 3 号

291

ンは磁石列をそっくり交換することで，もとのアめて放射光を取り出したのは 1985 年であった 0ンジュレータに戻すことができる。通常のユー

1987 年度には北実験室に円偏光挿入光源が設置さザーランはアンジュレータ・モードで行われていれ，る。

れた。

また 1989 年度には，第 2 の挿入光源が設置さ

これは真空封止型 X 線アンジュレータであ

将来ここに最先端の挿入光源を入り， 5 Fe によるメスバウア実験用の 14 .4keV が 3 次れるためにただ一つ残された直線部である。現在

光で得られるように設計されたものである(表マシンスタディに使われていて，縦方向フィード

1) 。

B4-5 聞は，7パック用の空洞，横方向フィード、バックのセンサー，る。

高エ研の B ファクトリー計画に関連し，そして高速キッカーなどが設置されていックは電子 8.0GeV ，陽電子 3.5GeV に改造する計

ビームラインはこの BL5 以外はすべて利用されていて，画である。そして，

AR はフノレ・エネルギー入射の専用リングとして放射光利用を行うという計画

60 近い実験ステーションにはユーザーが群がる(図 2) 。

一方，リニアが検討されている。

トリスタン入射蓄積リング (AR) に放射光実験用にホールが用

PF ではユーザー数・実験課題数は年々増え続けている。毎年提出される課題件数は今では 300 をされることになったのは1983 年であった。当時はまだ PF の実験ホールで超え，さえ 6 本のビームラインが建設途中であった。初3) 。そして図 4 には総フォトン数に比例する積分

ユーザーは 2000 人以上にもなった

ftheinsertiondevicesinstalledint
hePhotonF
actoryringandt
heTRISTAN
Table1 Parameterso
accumulationring.

名称

周期長形式

周期数

C灯1U02U(NdFeB+steel)

660280.
4

1982TOKTOK(NdFeBpure)

93
72
70.
7

1
992

5

46300.
37.
232

300.
4

102
3300.
5416.

1
4

300.
6RevolverPF2.5GeV

Bmaxtesla

完成年

打1 打lGAPmin

multi‑U(NdFeB+steel)

1988MPW16MPW/U

1226191.5

1987MPW13MPW/U(NdFeB+stee

1813271.5

1988161230/
1
101.
0/0.
2

19895.
0

1982EMPW28v
ertical

EMPW‑NElU‑NE3cirular3(5)‑pole(S.
C)

VW14AR6.5GeV

EMPW/HU(NdFeB)

EMPW/HU(NdFeB)
circularU(NdFeB)

162130/
1101.
0/0.
2

1988490100.
831990m-vacuu 汀1

U: アンジュレータ，MPW: 多極ウィグラ

EMPW: 円偏光ウィグラ/アンジュレータ

VW: 垂直偏光型超電導ウィグラ， TOK: 光クライストロン‑3‑(図ω∞ゆ10I

120m

L_ーよ一一Jih「寸日iL_____ ・・，,.-

AR 放射光実験ホールの平面図

1̲̲̲̲125M

PF リング実験ホールの平面図~一一一一_J一一一ーー」(一ωω持ω)ingandexperimentalhall.
Fig.
2 Storager

活浬凶作 鵠∞株鴇 ω市叩o

放射光(1993 年)

第 6 巻第 3 号

2
93

4000

400300

Proposals

3000

Users
1000

100

0082 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93F
iscalYear

fuser
sandp
roposals.
Fig.
3 Numberso

1400

A・ 2・Aリ

OVAO

ωお民同剤と問Mhvg』岡sh\(山・〈)ω芸F 同
wmwmS匂』川

1200

800

600

400200。

1980

1985

1990

FiscalYear

ntegrate
dbeamcurrentperyear.
Fig.
4 I

‑5‑

信回伶『回問問符問。品ω。h』
間wd
F角Z刊n2000

200

294

放射光第 6 巻第 3 号

電流値のこれまでの推移を示す。

(1993 年)

かした実験の成果が上がっている。これにより第3世代の光源が就航したことになる。放射光利用の2.2

分野はこうした高輝度・高性能の光源により，さ高エ研馬辺の計画と世界の情勢

世界の第 3 世代リングの建設の情勢を表 2 に示らに発展をつづ、けることが予想される。それゆえす。最も早く完成したのはヨーロッパの ESRF (グ欧米はもとより，韓国・台湾などの近隣諸国でもルノーブル)であり，先を競って第 3 世代のリング建設を開始し，完成

1992 年 2 月にはじめてビームの蓄積に成功した。当初は数 mA であったが，はいずれもここ数年以内である(表 2) 。一方，高その後 100mA を超す電流の蓄積に成功し，さらにエネルギー研周辺ではトリスタン主リング (MR)200mA を目指すと開く。エミッタンスはビームプを改造し 1nmrad以下の超低エミッタンスの，非常ロファイルの観測から，ほぼ計算どうりの低エミに高性能の放射光用リングとして生まれ変える計ッタンスであることが示された。すでにアンジュ画がある 2)O また，真空紫外・軟 X 線領域での高レータも導入され数本のビームラインでは利用実輝度リングとして，物性研が中心となり，高エ研験を開始し，早くも高輝度・高性能光の特徴を生が協力する形で学問的技術的な検討を行っている

Table2Statusofthethirdgenerationrings.

リング(研究所)

場

エネルギー (GeV)

所

完成予定年

LNLS‑1カンピナス(ブラジル)

1.1
5

SRRC

シンチュ(台湾)

1.3

DAPS

ダレスベリ

(英国)0.
5‑ 1.2

ESRF

グルノーブル(フランス)

6運転中

パ 1)(フランス)

0.
8

運転中

DELTA

ドノレトムント

(ドイツ)

1.5

93

BESSYn

ベルリン

(ドイツ)

1.5‑ 2

97

INDUSn

インドール

(インド)

2

ELETTRA

トリエステ(イタリー)

1.5‑ 2

93

S
P
ring
‑8

西播壌

(日本)

897

PLS

ポハン

(韓国)

293

MAxn

jレント(スウェーデン)1.5

APS(ANL)

アルゴンヌ

(米国)

795

ALS(LBし)ノくークレー

(米国)

1.5

運転中

SuperACO‑6‑93

放射光第 6 巻第 3 号計画もある 3)O

(1993 年)295

これらは重要かっ緊急度の高い計

いった方法も考えられるが，これらは PF リングで画にもかかわらず，いまだ建設予算が認められて用いるには実際的ではない。ビームオプティクス

いない。の変更による低エミッタンス化が唯一可能なもの

このような情勢のもとで PF としてはりングの性である。

PF リングの約 1/3 を占めるノーマルセノレ部は能向上を急がねばならない。以下に述べるようにリングの一部を改造することで比較的容易に，しFODO セルを基本構造としており(~5) ，エミッかも安価に性能を強化できる。 PF は第 2 世代の専

タンスはこの部分のオプチィクスで概ね決まって用りングから，今世界中で建設が進行している第いると考えてよい。大雑把に言ってノーマルセル

3 世代リングに輝度においても匹敵する性能のリンの四極電磁石の収束力を強くするほどエミッタングへと強化できる。

スは小さくなるが，どこまでも小さくなるわけで一方利用する側に白を向けると，実験装置あるはなく最小エミッタンスを得るある最適な強さがいは研究方針そのものも 10 年を経過し先端的研究存在する。 PF リングでは 1986 年にオプティクスには向かなくなったものが沢山ある。今は丁度その変更を行い，エミッタンスを 460nmrad かられらを再検討し新しく建設し直す時機でもある。

130nmrad まで小さくした。このとき，四極電磁石光源リングの脱皮とともに実験フロアにおいてもの収束力を現在の電磁石配列のもとではエミッタビームラインのスクラップ・アンド・ビルドが検ンスが最小になるように最適化しである。従っ討されている Oて，買にエミッタンスを小さくするには，単なる収束力の変更ではなく，電磁石の移動や追加等，

3.

高輝度化計画の概要

ある程度の 1) ングの改造が必要になる。
PF リングは現在極めて順調に稼働しており，ま3. 1 高耀度化の指針
高輝度放射光を得るには蓄積ビームの低エミッた，それぞれのビームラインには多数のユーザータンス化が必要である。低エミッタンス化には，が付いている。従って改造増強はダンピングウィグラの使用，低エネルギー運転と・少ない改造で効果があがる。

82l

e崎

NORMAし CELLa拘制措もも'~トFig.
5Presentmagneticl
atticeofthePFstoragering.

‑7‑

296

放射光第 8 巻第 3 号(1993 年)

-長期のシャットダウンを要しない。

般にエミッタンスの大きいオプティクスほど，後-既存のど…ムラインに影響を与えない。

で述べるような運転上の困難も比較的小さいたといった諸要求を満たすものでなくてはならな

め，まずエミッタンスの大きいオプティクスで調い。これらを考慮して立案した改造増強計画の概整を開始し，段階的にエミッタンスの小さいオプ

要はティクスに挑戦していくのが実際的であろうと考・ノーマルセル部の四極電磁石の増設増強を行えている。

なう。

この高輝度化が実現すれば全てのど…ムライン・偏向電磁石は移動せず既存のビームラインへの影響を最小限に止める。

で放射光輝度の向上が期待できる。特にアンジュ

レータのビームラインでは約 10 倍と効果が大き・エミッタンスを現在の約 1/5 の 27nmrad までい。ウィグラや偏向電磁石のビームラインでも 5-小さくし放射光輝度を概ね 10 倍にする。

10 倍の向上が期待できる。高輝度化前後でのアン-改造のための運転停止は半年程度とする。

ジュレータの輝度の変化を図 8 に示す。というものである O 計画の詳細はデザインレポー
トとしてまとめである 4 )。以下では極く簡単にそ

3.3 高輝度化に伴う諸問題
この高輝度化によってエミッタンスが第 3 世代の内容を紹介する。

リング並みに小さくなることから，低エミッタン

3.2

スリング特有の問題が現われてくることが予想さ

高輝度ラティス

リング改造案の基本であるノーマルセル部の改造は，これまで偏向電磁石間に I 個づ、つ配置されれる。それら諸問題とその対策について簡単に触れておく。

一般に低エミッタンスリングでは，ていた四極電磁石を 2 個に増やすというものであ

ビームの色る(図 6) 。この改造ノーマルセルを基本にしてリ収差を補正するために六極電磁石を強く励磁する

ング一周のオプティクスを設計すると(図 7) ，最必要がある。この強い非線形磁場によりベータト

小で 27nmrad と現在の値(l 30nmrad) の約 1/5 のエ

ロン振動の安定領域(ダイナミックアパーチャ)ミッタンスが得られる。四極電磁石強度を少し変が小さくなってしまい，えれば，エミッタンスが 33nmrad ，にする原因になることはよく知られている。この

44nmrad とやビームの入射蓄積を困難や大きいオプティクスも実現可能である。また，ため，六極補正法を工夫すること等に加え，前述増設した電磁石の一部を使用しないことにより，したように，エミッタンスが大きくダイナミック

リング改造後も現行のものとほぼ同じオプティク

アパーチャも比較的大きいオプティクスから試験スでの運転も可能である。

運転を始めて段階的にエミッタンスの小さなオプ

このようにこの改造ラティスはエミッタンスをティクスへ挑戦していくことを考えている O

効果的に小さくできるとともに，チューニングのPF リングの 1986 年の低エミッタンス化の際に自由度が大きいことも特徴である。これにより，は，電磁石の微少な位置変動による関軌道の変動

改造作業終了後は実績のある現行オプティクスでが大きくなり，ユーザ一実験に大きな影響を与え速やかにユ…ザ…実験を再開し，ユーザー実験のた。この経験から，軌道変動に対するフィード、バ中断を短くすることができるであろう。一方高輝ックシステムが開発され瀬調に稼働している。今度オプティクスの方はマシンスタデ、ィの時間等を回の高輝度化後は現在以上の軌道の安定化が求め利用して立ち上げ調整を行い，実用化のめどがつられることも予想されるため，いた時点、でユーザー実験に用いることになる。一に改良増強していくことを考えている。

‑8‑

このシステムを吏

放射光第 6 巻第 3 号

297(1993 年)

PF リングのビーム寿命は，現在，される。しかし計算によれば 40 時間以上(ビービーム電流ム電流 300mA) は達成可能である。

300mA 以上でも 60 時間を越えており，誇るべき性能の一つになっている O この寿命は，蓄積粒子4. リング改造計画の残留ガスとの衝突によって制限されている。し最後に，かし低エミッタンス化後はビーム内粒子密度が高この高輝度化に必要なリングの具体的くなるため，蓄積粒子同士の衝突によるビーム損な改造作業とそのスケジュールについて簡単に述失( Touschek 効果)が寿命を制限することが予想べておく。

PF-RING 門 EDIU 門 -EMITT ANCE

PTICS

Fig.
6‑a.O
pticalfunctionsofthepresentnor
malcells.

PF‑RINGNE¥
ILØ \J嶋 EMITT ANCE PTICS

弘!

一一J
ロロn8~

Fig.6 ゐ.

ロロ口口一日日一~~
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Opticalfunctionso
fthemodif
iednormalcells.

‑9‑

298

放射光

第 6 巻第 3 号(1993 年)

ノーマルセル部の四極応して入射用パルス電磁石及び電源の増強を行

また，磁う。真空関係では，新たに製作される電磁石の口場強度も現在のものに比べ大幅に増強したものに径が現在のものに比べて小さくなることに対応し交換する。これらの電磁石は既存のビームラインて，への光取り出しのためヨーク形状を工夫したものを小口径のものに交換する。また，四極電磁石のになる。また電源についても増強・新設を行う。

設置場所が変わることに対応した排気系の変更，まず電磁石系であるが，電磁石，六極電磁石はその数を倍増し，入射系は，ノーマルセル部の四極電磁石用ビームダクト

ビーム位置検出器の改造・移動，ノーマルセ/昨日

入射点付近のオプティクスの変更に対Jify?

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‑10‑

放射光

第 6 巻第 3 号

299(1993 年)

1910N{.B.SJfF
0g\\55\00ω\ωCOHo-nc
o℃o可.
酬と一一∞cs

18
101014

0500

1000

1500

2500

2000

Photon Energy (eV)Fig.
8Brillianceofthesynchrotronr
adiationfromtheu
ndu
lator(U#2).
The boldfaced linei
sforthehighbrilliance and plainlinei
sforpresentlattice.

偏向電磁石からの放射光取り出し用基幹チャンネは約半年を考えている。

ル部の改造等を行う。高周波加速空洞について

5. おわりには，低エミッタンス化後は特にビーム不安定性対PF は 1982 年に放射光の発生に成功して以来，策が重要になることから，ダンプドキャビティのわが国の放射光研究の中心機関として活動を続開発・使用を検討している。
以上のような改造作業を行うには，ある程度のけ，共同利用実験の推進，放射光科学フロンティ期間のリングのシャットダウンは避けられない。

アの開拓など大きな成果をあげてきた。この間にできるだけ短い期間で完了し営業運転を再開する

放射光の利用研究は日進月歩の発展を続けてお必要があることは言うまでもない。 このためにはり，今後とも世界最高の研究水準を保ちながら，シャットダウンに入る前に可能なかぎり準備を進

しかも年々増加する共同利用の需要に答えることめておき，が PF の責務である。

シャットダウンに入ると同時に各コン

PF は，空紫外線，X 線領域のユーザーが利用し広範囲の研究成ポーネントの撤去，交換，据付作業を開始できる線，ようにしておくことが望まれる。準備期間として果を生み続けている。 しかしながら，は 2 年程度，また，射光の共同利用の間に，シャットダウンの期間として軟X

10 年間の放さらに高度の実験を行う

守 1・‘噌aA

放射光第 6 巻第 3 号

300( 1993年 )ための高輝度 ・ 高性能光に対する要求が強くなっ文献ている。このことは世界の第 3 世代リング建設の

1) H.Kitamu
ra.S.Yamamoto , andS.Kamada , Rev.Sci.

Instrum.60, 1407(1989). K.Ohmi , T. Nogami , Y.

動きを見ても明かであろう。

Fukushima , M.Katoh , andT.Yamakawa , Rev.Sci.

本計画は こ うし た 要請に答えるため， 光源リン

Instrum , 63.301(1 992) ほか

グの一部を改造するなどにより低価格で効率的に2) r次世代大型高欄度放射光施設計画に関する調査報

高輝度 ・ 高性能リングに脱皮しようとするもので

告害J : 日本放射光学会 1990 年 4 月 .

トリ スタン主ある。また利用の要請により 3GeV でのユーザー

リングの放射光利用計画 : 安藤，小早川 . 大隅編

用運転も可能に したい。放射光フラックス強度おKEKRep口氏 88- 1 6.

よびビーム 寿命においてはすでに第 3 世代をはる

クフォース軌道サブグループ作業報告書: /J~本正典

かに凌いでいるので t編ほか.

この計画が実現 すれば第 33) r中型放射光計画 に閲する調査報告書J : 日本般射光

世代 よ り優れた特長を持つ強力光源として生まれ
変わり .

学会 199 1 年 4 月 .

21 世紀においても重要な役割を担うこと

4) 加藤政博. 堀洋一郎(編)，ができるであろう。

「口メ モi;

トリスタン MR 放射光利用タス

画デザインレポート Jr
PF リン グの高輝度化計

KEKReport92‑20(1993).

………+朴+村………+山…
山…++++……
H
…
H
……
Hω
……+山………
H…H
H
刊…
…++山……
…
H…++++……
H
…仲……
H
H………
日
H
………+朴山…++山…+朴山++叩………朴山+.H.
+………++………++++山
1+ii

コマツヨイグサ / アカバナ科(伽伽Oω引ne叩o伽! 太耕宰治伽が唱駈土には月見草が枇よく仙似合針うJμと言L
居 つ た悶月見牌草はti， j北ヒ仰アメjt リカ原産の植物をもとにヨーロ ツパで作り出された園芸植物で. 和名がよ~、i オオマツヨイグサという夏の花です。夕方に直径が 7-8cm もある淡黄よ寸行ノi色…花弁が風になびく様払いかにも涼しげで風情があります。

、富士山の裾野にも広まっていたことを証明しています。日本の風景にい，帰化植物であっても取り込んで出諮問のでしょうれj

右の絵は， 南アメリカ原産のコマツヨイグサで，オオマツヨイグサ. \~ \~rjf' ßグ

せ，朝になってしぼーに…。 (HzO).

A 恥)~ !

t アレチマツヨイグサ等と同様の帰化植物で， 夕方に淡黄色の花を咲か 、\，\ WYI/~r;

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t~'\W' _4_ミ !

j 明治初期に我が国に入っ たも のが日本中に野生化し， 太宰の頃には既に:し)'1l..\,{\' u //τ./li¥¥1;/、 rf!

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川内A i

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内ノ­可i