Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 8-10, 2016, Chiba, Japan

PASJ2016 FSP021

KEK 放射光源加速器 PF リングと PF-AR の現状
PRESENT STATUS OF PF RING AND PF-AR AT KEK小林幸則#, A), 浅岡聖二 A), 阿達正浩 A), 飯田直子 A), 上田明 A), 内山隆司 A), 海老原清一 A), 尾崎俊幸 A),小野正明 A), 帯名崇 A), 影山達也 A), 加藤龍好 A), 菊池光男 A), 金 秀光 A), 久米達哉 B), 小玉恒太 A),
田中オリガ A), 坂井 浩 A), 坂中章悟 A), 坂本 裕 A), 佐々木洋征 A), 佐藤政行 A), 佐藤佳裕 A), 下ヶ橋秀典 A),
塩屋達郎 A), 島田美帆 A), 高井良太 A), 鷹崎誠治 A), 高木宏之 A), 高橋毅 A), 多田野幹人 A), 谷本育律 A),田原俊央 A), 多和田正文 A), 土屋公央 A), 長橋進也 A), 中村典雄 A), 濁川和幸 A), 野上隆史 A), 芳賀開一 A),原田健太郎 A), 本田融 A), 本田洋介 A), 丸塚勝美 A), 三増俊広 A), 宮内洋司 A), 宮島司 A), 山本尚人 A),山本将博 A), 吉田正人 A), 吉本伸一 A), 渡邉 謙 A)#, A)
Yukinori Kobayashi, Seiji Asaoka A), Masahiro Adachi A) , Naoko Iida A), Akira Ueda A) , Takashi Uchiyama A),
Kiyokazu Ebihara A) , Toshiyuki Ozaki A), Masaharu Ono A), Takashi Obina A), Tatsuya Kageyama A), Ryukou Kato A) ,Mitsuo Kikuchi A), Xiuguang Jin A) , Tatsuya Kume B), Kota Kodama A) , Olga Tanaka A), Hiroshi Sakai A),
Syogo Sakanaka A) , Hiroshi Sakamoto A), Hiroyuki Sasaki A) , Masayuki Sato A), Yoshihiro Sato A) ,Hidenori Sagehashi A), Tatsuro Shioya A) , Miho Shimada A), Ryota Takai A) , Seiji Takasaki A), Hiroyuki Takaki A),
Takeshi Takahashi A), Mikito Tadano A), Yasunori Tanimoto A) , Toshio Tahara A), Masafumi Tawada A ) ,Kimichika Tsuchiya A), Shinya Nagahashi A) , Norio Nakamura A), Kazuyuki Nigorikawa A), Takashi Nogami A) ,Kaiichi Haga A), Kentaro Harada A) , Toru Honda A), Yosuke Honda A), Katsumi Marutsuka A), Tohihiro Mimashi A),
Hiroshi Miyauchi A), Tsukasa Miyajima A), Naoto Yamamoto A), Masahiro Yamamoto A), Masato Yoshida A),
Shinichi Yoshimoto A), Ken Watanabe A)A)
Accelerator Laboratory, KEKB)
Applied Research Laboratory, KEK

Abstract
The present status of the Photon Factory storage ring (PF ring) and the Photon Factory advanced ring (PF-AR) at HighEnergy Accelerator Research Organization (KEK), including the decrepitude of several machine components, are reported.

1.

はじめに大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構（KEK）の放射光科学研究施設（フォトンファクトリー：PF）は、1982 年から今日まで 33 年の長きにわたり大学共同利用を中心にした運営を行い、物質科学および生命科学を中心にした基礎科学の発展に貢献してきた。現在では、2.5GeV PF リングと 6.5
GeV PF アドバンストリング（PF-AR）の 2 つの放射光専用リングを運転し、年間 3,500 人を超えるユー
ザに対して紫外線からＸ線までの放射光を供給している。Table 1 に現在の PF リングと PF-AR の主なパラメータを示す。PF リングでは、高輝度化改造により低エミッタンス化が実現し性能が向上するとともに、短周期アンジュレータの新設に加え、90 年代前半に製造されたアンジュレータの更新がほぼ完了した。PF-AR においては、高度化改造によりビーム寿命が大幅に改善し、さらにフルエネルギー入射を目指した直接入射路増強計画が進行している [1]。しかしながら、改造は何度か行われているものの、両リングともに建設から 30 年以上経過しているため、___________________________________________# yukinori.kobayashi@kek.jp

装置の老朽化は避けられない状況で、トラブルが目立つようになってきている。本年会では、最近の PF
リングと PF-AR の運転状況と老朽化の状況について報告する。
Table 1: Principal Parameters of PF Ring and PF-AR
PF リングPF-AR

ビームエネルギー

2.5 GeV

6.5 GeV

水平エミッタンス

34.6 nm·rad

293 nm·rad

周長187 m377 m

蓄積最大電流値

450 mA

60 mA

運転モード

Top-up, Decay

Decay

挿入光源 BL 数1152.

運転の現状

Table 1 に平成 21 年度から 27 年度までの PF リングの運転統計を示し、それらのデータを棒グラフにしたものを Figure 1 に示す。平成 27 年度のユーザ運
転時間は、平成 26 年度の大幅な減少からやや回復し- 1386 -Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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PASJ2016 FSP021て 3000 時間程度となった。しかし、震災前の平成 21年度当時に比べれば、1000 時間程度の減少である。
故障時間に関しては微増であるが、故障率としては微減であった。平成 27 年度の運転全般では、BL#13、#28 用のアンジュレータを更新して稼働を開始した
ことがあげられる。大きなトラブルは無く、ユーザに新アンジュレータからの放射光が供給されている。
しかし、超伝導垂直ウィグラーにおける断熱真空のトラブルで、ユーザ運転にビームを供給できない期間があった。また、冬期運転からスーパーKEKB の運転再開に伴い、PF リングではトップアップ運転（ Top-up mode ） を し ば ら く 中 断 し 、 蓄 積 モ ー ド（Decay mode）での運転となった。
Table 3 と Figure 2 に PF-AR の運転統計を示す。
Figure 1: Bar graph of operation statistics in PF ring from
PF-AR も PF リングと同様の傾向である。PF-AR で FY2009 to 2015.
は、夏の停止期間中にビーム振動抑制用キッカーを更新した。この結果、以前大電流時に生じていたキッカーでの発熱や真空悪化が抑制された。秋期運 Table 3: Operation Statistics in PF-AR from FY2009 to転から、入射エネルギーを 3GeV から 2.85GeV に変 2015
更して運転を行った。これは、入射器でクライストリング運リング調
ユーザ
故障時
年度
ロンや加速管等でトラブルが発生しても、安定な入転時間整・スタ
運転時間(h)射エネルギーが確保できるようにと対処したもので(h)ディ時間間(h)ある。入射・加速での好不調はあったものの概ね初(h)期蓄積電流値 50mA 以上は維持してユーザ運転を開2009（H21）
5,063.0542.5
4,445.7
74.8
始でき、再入射を必要とする寿命急落はわずか 1 回
2010（H22）
4,638.5542.5
4,037.5
58.5しか発生しなかった。PF-AR 直接入射路の改造へ向2011（H23）
4,131.5
1,162.0
2,941.5
28.0
けた準備作業はすすんでいる。H28 年度 7 月からリ2012（H24）
4,080.0408.0
3,643.2
28.8
ングを含めた入射路改造に入り、新入射路トンネル
2013（H25）
3,912.0434.0
3,378.4
99.6
への電磁石・真空ダクト・各種モニタの設置、運転2014（H26）
2,352.0
360.0
1,955.0
37.0
再開へ向けた安全系の構築を行う予定である。改造
2015（H27）
3,336.0552.0
2,753.0
31.0
完成後のビームコミッショニングは、H29 年 1 月を見込んでいる。
Table 2: Operation Statistics in PF Ring from FY2009 to2015
年度

リング運
転時間
(h)

リング調
整・スタ
ディ時間
(h)

ユーザ
運転時
間(h)

故障時
間(h)

2009（H21）
2010（H22）
2011（H23）
2012（H24）
2013（H25）
2014（H26）
2015（H27）

4,976.0
5,037.0
4,696.0
4,416.0
4,176.0
3,024.0
3,888.0

979.5
958.7
1,875.1
624.0
672.0
696.0
839.6

3,961.9
4,050.8
2,809.2
3,752.9
3,451.4
2,316.6
3,034.0

34.5
22.5
11.7
39.1
52.6
11.4
14.4

Figure 2: Bar graph of operation statistics in PF-AR fromFY2009 to 2015.

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3.

老朽化の現状3.1

超伝導垂直ウィグラー

そこで予定どおりウィグラーの励磁を行い、翌日 5
月 27 日からビームラインの運転を再開した。

3.2 電磁石電源
PF リングの超伝導垂直ウィグラーは、1989 年に稼働し、25 年以上にわたり利用運転に寄与してきた。 PF リングは 1981 年に建設され、その後、1990 年
しかしながら、近年は老朽化によるトラブルが見ら の 3GeV 運転開始、1996 年の高輝度化、2005 年の直れるようになってきている。今年 1 月の立ち上げ前 線部増強と、大規模な改造の度に電磁石電源の入れに、断熱真空の悪化が見られ応急措置を施して運転 替えが行われてきた。しかし、1979 年製造の偏向電に入ったものの、その後も真空悪化の傾向が続き， 磁石電源用 6.6kV 受電盤は現在まで更新されること液体ヘリウムの消費量も通常の 2 倍以上に増加した。 なく使用されている。また、高輝度化改造時に導入そのまま運転は継続したが、この状態で夏まで運転 された 4 極及び 6 極電磁石電源、ステアリング及びするのは厳しいと判断した。そこで、3 月 14 日の運 ビームトランスポート電源もまだ使用されており、転終了後にすぐに昇温して、4 月に室温になったと 製造後約 20 年を経過したここ数年、故障が頻発するころで、液体シール剤を用いてリーク止め作業を試 ようになってきている。
偏向電磁石電源の受電盤は 6.6kV という高電圧をみた。Figure 3 に作業の様子、Figure 4 に作業時の真直接受けているため、些細な故障が重大事故になり空の変化のグラフを示す。シール剤を注入開始した直後は徐々に悪化したが、400 cc ほど入れたところ かねない危険な状況にある。メンテナンス時の調査で真空が下がり始め、翌日には真空度が 1 桁程度改 によると、全体の絶縁耐圧を含めた性能は、長年の善した。しかし、リークは完全には止まっておらず、 汚れや劣化等によって確実に低下してきており、コリーク対処前の 5×10-6 Pa・m3/s からは大幅に減少し ンタクタの経年劣化についても、いつまで異常なく使用できるのか誰も経験したことのない経過年数にているが、3.1×10-10 Pa・m3/s のリークがある。
今回は応急的な処置であったが、この真空度が維 なりつつある。部品を交換しようにも高圧部品は高持できればなんとか夏まで持ちこたえるのではない 価なため、単年度予算では困難な状況である。さらかと予想して、連休明け 5 月 10 日から冷却を試み に、製造中止部品がほとんどであるため、中途半端た。冷却は順調に進み、約 2 週間後の 5 月 26 日マ に部分改造を行って無理に取り付けることは、場合シンスタディ時にリング内でウィグラー周辺の種々 によっては危険性の増大につながりかねないことかの調査を行った結果、特に異常は認められなかった。 ら、現時点では安全性・コストの面からも受電盤全体を新規に製造して交換するのが最も良いと判断している。
4 極及び 6 極電磁石電源については、80 年代製造の電源は、高輝度化時に約半数が、直線部増強時に残りの半数が更新された。とはいえ、高輝度化は約20 年前であり、その時に導入された大型電源（SFF、SFD、QFD、Q2、SD、QFF、QAA、QAB、QDA、QD）10 台の故障が、ここ数年頻発している。具体的には、電流リップルの経年劣化による増大や、サイリスタの劣化、制御素子の劣化に伴う 3 相 400V のAC に対する相間バランスの崩れなどがメンテナン
Figure 3: Photograph of the work for a leakage of ス時の性能測定で分かっており、運転中もインターinsulation vacuum chamber in superconducting vertical ロックの誤検出やチューンの変動など故障がここ数
wiggler.
年増加してきている。
偏向電磁石電源については、2001 年製造でまだ 15
年“しか”経過していないとも言えるが、負荷が飛び抜けて大きく、電源自体の大きさも、他の大型電源４台分を優に超える電源である。特別な受電盤およびトランスが必要なのも、電源の容量が大きいためである。消耗品である電解コンデンサの劣化が生じており、出力電流の安定性に悪影響が懸念される。
リングの補正電磁石電源、スキュー4 極電源、ビームトランスポートの 4 極及び補正電磁石電源についFigure 4: Trend of the vacuum pressure near the locationては、高輝度化改造時に導入された約 20 年ものであof the leakage point before and after infusion of the liquid
り、台数も200 台近い。電源自体は製造業者がすで
seal in superconducting vertical wiggler.

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PASJ2016 FSP021に電源製造から撤退、制御系に関しても絶縁フォト 部にあり、放射光ユーザのビームラインが多くある。
カプラや AD/DA 素子など、主要部品は既に製造中 これらは昭和 57 年（1982 年）建設当時に設置され止で修理すらもできない状態である。その結果、故 た電源である。
障時は電源、制御系ともに、手持ちの予備品（製造年代は同じ）に置き換えるしかなく、予備品が尽きたら数を減らしての運転に移行することで対処している。ここ数年、やはり故障が頻発しており、例えば、電流モニタが突然振り切れる、制御していないのに電流が流れ、実際にビームが蹴り落とされる、インターロックの誤検出などが頻発している。ビー
ムを誤って蹴るのは極めて危険で、例えば、真空封止短周期型アンジュレータというギャップ幅 4 mmまで狭めて X 線を発生させる装置が PF リングに 4台導入されているのだが、垂直ステアリング電磁石の誤動作によって意図しない場所に放射光が照射されると、重大な真空事故が発生する可能性がある。
小型電磁石電源の誤動作も重大な事故を引き起こす可能性が大きい為、一刻も早い更新が求められている。
Figure 5: Oldest quadrupole powers supplies in PF-AR.
PF-AR は、トリスタン計画のブースター・リングとして昭和 57 年度に整備されたアキュミュレー
QCN 電源は製作後 33 年が経過し、深刻なトラブション・リング（AR）を改造した蓄積リングであ ルの前兆とも思えるトラブルが起きている。電源内
る。AR は、もともとは電子・陽電子リニアックか 部のトランスやトランジスタは水冷していて、水冷らの 2.5 GeV ビームを蓄積した後、8 GeV まで加速 の銅パイプに通水している。最近のトラブル 2 件は、してトリスタン主リング（MR）に入射していた。 このパイプの平坦な箇所でピンホールが起こした水その機能の性格上、ビーム処理を効率良く、繰り返 漏れである。33 年の長きに渡って 10 気圧の純水をし運転できるように最適化されていた。トリスタン 流したために、かなりの浸食が起きたものと認識で計画終了後、B ファクトリーとして MR は利用され きる。これらは、保守点検時に発見され、工場で修ることとなったが、リニアック直接入射となったた 理し、大事に至らなかったが、運転時に発生した場
め、AR は放射光専用リングにしようという提案が 合には、最低でも 3 日程度は停止しなければならなあり、そのための機能の最適化が必要とされた。 かったであろう。電源にも内部に多くの保護センビーム寿命を 2 時間から 24 時間に改善するために、 サーがあるが、水冷系が多く分岐していて、必ずし真空チェンバーの交換や長時間の連続運転の信頼性 も万全ではなく、異常加熱が連続して焼損や火災のの確保が要求された。トリスタンでは AR を 8 GeV 危険もある。老朽化した電源では、入手不可能にで最大 30 分継続する仕様で機器が設計されていたが、 なってしまった部品が多々ある。現時点では、倉庫
放射光利用の運転では、長時間での運転を要求され にある旧 Q 電源から部品取りをして急場こそ対応でるためエネルギーを 6.5 GeV に下げて運転する。電 きそうであるが、やがて全くなくなることになる。
磁石電源としては、ステアリング電源の長時間安定 このような現状であるため、電源の更新が早急に必性が問題になり、ステアリング電源が更新された。 要である。電磁石が異常になった場合、それを電源
この放射光専用リング改造作業は 2001 年に実施され 停止シーケンスにつなぐために、インターロック回た。放射光専用リングへの転用後は、特に電源機器 路があるが、これもまた老朽化しているので、同時の老朽化が問題になり、2008 年には偏向電磁石電源 に更新してシステムとして信頼性を向上させる必要の更新が、2013 年には４極電磁石電源 16 台の更新 がある。
が達成できた。しかしながら、４極電磁石電源 8 台（QCN 電源）の更新が未達成で、残された課題であ 3.3 ビーム診断装置る。４極電源（Q 電源）は、東西南北（EWSN）にPF リングのビーム位置モニターシステムは平成７配置された４極電磁石を励磁するための電源である。 年度（1995 年度）に導入された。PF リングでは約東 西 の 加 速 空 洞 周 辺 に あ る ４ 極 電 磁 石 （ QRE 、 187ｍの加速器１周にわたって 65 台のビーム位置モQRW）、ビーム入射機器が配置されている南直線部 ニタ電極を配置し、信号を半導体リレーで順番に切にある４極電磁石（QCS）、これらを励磁する電磁 り替えながらアナログ検波回路に入力している。検石電源は更新されて、加速器の性能向上に貢献した。 波した信号は VME 計算機の ADC でデジタル化し、未更新の電源（QCN）の負荷である電磁石は北直線 信号強度をデジタル信号処理回路（DSP）にて演算- 1389 -Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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PASJ2016 FSP021

することでビーム位置を演算している。高速の半導体スイッチと並列化 DSP を使用することで、リング全体の軌道測定に要する時間は約 100 ミリ秒、位置分解能は数マイクロメートル以下を達成した。また、
このシステムは軌道測定だけではなく、もう１つの重要な役割として軌道安定化のための演算機能を有している。すなわち、28 台の補正電磁石に適切な電流値を設定することで電子ビームを制御して軌道が常にある一定になるようなフィードバック演算を約12 ミリ秒の制御周期で行っている（Figure 6）。
導入した平成 7 年当時としてはかなり高速な信号処理・フィードバックシステムであったが、リレーによる切り替え方式ではこれ以上の高速化・高精度
Figure 6: Photograph of the orbit feedback system and the化は困難である上に、既存システムは老朽化が深刻power supplies for the fast steering magnets.
である。製作から 20 年以上経過しており、製造会社による保守・保証期間は過ぎており、当時と同等のパーツを市場で調達できないために故障しても修理 4.
まとめが不可能で現状では予備品と入れ替えるしかない。
2015 年度は PF リング、PF-AR ともに昨年度に比べまた、完全に故障しないまでもリレーの切り替えタて約 1000 時間の増となったものの、震災以前の運転イミングが不安定になることが発生し、あたかも軌転時間までは回復していない。2016 年度は、PF リン
道が動いたような偽信号を出す事象がときおり発生
グについては、2015 年度とほぼ同等の運転時間は確している。しかし前述の通り修理が困難であるため、保される見込みである。PF-AR については、今年 7
軌道補正から除外するしかない状況である。これら
月初めから直接入射路設置のための改造作業が開始の対処作業のため場合によってはユーザの実験時間され、2017 年 1 月末まで作業が行われ、その後コを一時中断する場合もあって深刻である。
ミッショニングを開始する予定である。両リングの近年のデジタル技術の発展は目覚ましく、FPGA老朽化対策については、これからの大きな課題であを演算に使用することで 100 MHz 以上の高速サンプる。一方で、将来計画としての 3GeV 蓄積リング型リングデータと、10 Hz 程度の高精度データ出力を高輝度光源の検討も開始されており、早期の実現が同時に出力することも可能となっているため、ミリ期待されている [2]。
秒以下の高速な軌道フィードバックとサブミクロンレベルの高分解能を１つの信号処理回路で実現することが可能となってきている。
参考文献
既存システムでは水温変動のような分オーダーの [1] Shinya Nagahashi et al., “The construction of the direct beam
ゆっくりとした軌道変動は抑制できていたが、数 Hz
transport line for the PF-AR “, in Proceedings of the 13th
Annual Meeting of PASJ, 2016, MOP075.
～20Hz 程度に成分をもつ機械振動や 50Hz 以上の電[2]Kentaro Harada et al., “Design of the 3GeV light source of
気信号に起因する軌道変動は抑制できなかったのに
HMBA type lattice with short straight section”, in
対し、近年のシステムではこれらの高周波領域まで
Proceedings of the 13th Annual Meeting of PASJ, 2016,
WEOM16.
起動を安定化することが可能となる。また、挿入光源のギャップ変更や、偏光面の切り替えなど、ある瞬間からステップ的に発生する軌道変化にたいしても軌道を安定化することが可能となる。その他にも、線形加速器から入射されてきた電子ビームの振る舞いをビーム周回ごとに解析することが可能となるため、従来は専用の回路調整が必要となっていたキッカー・セプタム入射システムの調整など、各種加速器コンポーネントの調整を円滑にすすめることが可能となることも大きなメリットである。また、突然のビームダンプなど、予期しない事態が生じた際の原因究明にも利用可能となるため故障からの平均復帰時間（MTTR, Mean Time To Recover）改善にも寄与すると期待される。

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