Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
July 31 - August 3, 2019, Kyoto, Japan

PASJ2019 FSPI006

KEK コンパクト ERL の現状
PRESENT STATUS OF THE COMPACT ERL AT KEK
加藤龍好#, KEK 応用超伝導加速器センター 超伝導加速器利用推進チーム†
Ryukou Kato#, On behalf of Utilization Promotion Team based on Superconductive Accelerator, CASA†High Energy Accelerator Research Organization (KEK)

Abstract
Research and development of energy recovery linac (ERL) at High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
is positioned as a project for industrial use and technology transfer to industry in KEK Project Implementation Plan (KEKPIP). ERL's test accelerator, compact ERL (cERL), has been operated by the “Utilization Promotion Team based on
Superconductive Accelerator”, a cross-sectional organization within KEK. This team has been reorganized under theCenter for Applied Superconducting Accelerators (CASA) newly established this year. Research and development of 99
Mo production and research on increasing the life of asphalt began as a privately funded project at the beginning of lastyear. By March this year, the construction of the irradiation beam line was completed, and irradiarion research using theelectron beam of cERL began operation in June. In December last year, a proposal for developing a mid-infrared freeelectron laser using cERL was adopted by the NEDO project. Aiming for FEL oscillation, developing undulators andpreparing for installation.

1.

はじめにエネルギー回収型リニアック（ERL）は高エネルギー加速器を CW で運用したときに問題となる i)ビーム加速エネルギーの持続的な供給、ii)ビームダンプエネルギーと周辺放射化の低減、を同時に解決する技術であり、常に電子源からフレッシュビームを供給し続けることで、低エミッタンスで短バンチの高品質ビームを、高平均電流で利用することが可能になる。
大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構（KEK）におけるエネルギー回収型リニアック（ERL）の開発研究は、KEK Project Implementation Plan（KEKPIP）のなかで、産業利用や産業界への技術転用を目的としたプロジェクトとして位置付けられている[1]。ERL の試験加速器であるコンパクト ERL（cERL）[2]は、これまで先端加速器推進部の下に位置づけられた機構内部の横断的な組織（超伝導加速器利用推進チーム†）により維持管理、運営されてきた。このチームは、今年度新たに発足した応用超伝導加速器センター[3]の下に再編され、センターの組織として cERL の開発と利用を押しすすめることになった。昨年度はじめに民間資金による委託研究として始まった 99Mo 製造に関する研究開発とアスファルトの長寿命化の研究は、本年 3 月までに照射部ビームラインの建設を完了し、4 月の変更申請を経て、6月から本格的な運用を開始した。また昨年 12 月に cERLを用いた中赤外自由電子レーザー開発の提案が、NEDO プロジェクト「高輝度・高効率次世代レーザー技術開発」[4]に採択されたため、今年度 2 台のアンジュレータを製作し、来年 3 月以降本格的に cERL の高輝度電子ビームを用いて FEL 発振を目指すことになった。
本年会では、このような状況下で行われた 2018 年度の cERL の運転状況と 2019 年 4 月と 6 月に行われたマシンスタディの成果の概要について報告する。

2.

cERL の稼働状況

Table 1 に 2013 年度から 2018 年度までの cERL の運転統計を示す。2014 年度から 2015 年度までは、2 ヶ月運転が年に 2 回ほど実施されてきたが、2016 年度からは年度当初に配分される予算が維持費のみとなり、年度後半の追加予算の配分を待って運転計画を立てていたため、3 月期のみの運転となっていた。2018 年度は外部資金を得て照射部ビームラインを建設することになり、年度____________________________________________# ryukou.kato@kek.jp†KEK 応用超伝導加速器センター 超伝導加速器利用推進チーム ― 機構内の共同研究者・研究協力者
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)M. Adachi, S. Adachi, M. Akemoto, D. Arakawa, S. Araki, K. Enami, K. Endo, S. Fukuda, T. Furuya, K. Haga, K. Hara, K. Harada,T. Honda, Y. Honda, H. Honma, T. Honma, K. Hosoyama, T. Hotei, K. Hozumi, A. Ishii, X. Jin, E. Kako, Y. Kamiya, H. Katagiri,
R. Kato, H. Kawata, Y. Kobayashi, Y. Kojima, Y. Kondou, T. Konomi, T. Kubo, T. Kume, T. Matsumoto, H. Matsumura,
H. Matsushita, S. Michizono, T. Miura,T. Miyajima, H. Miyauchi, S. Nagahashi, H. Nakai, H. Nakajima, N. Nakamura,
K. Nakanishi,K. Nakao, K. Nigorikawa, T. Nogami, S. Nozawa, T. Obina, T. Okada, T. Ozaki, F. Qiu, H. Sagehashi, H. Sakai,
S. Sakanaka, S. Sasaki, K. Satoh, M. Satoh, Y. Seimiya, T. Shidara, M. Shimada, T. Shioya, T. Shishido, M. Tadano, T. Tahara,T. Takahashi, R. Takai, H. Takaki, O. Tanaka, T. Takenaka, Y. Tanimoto, N. Terunuma, M. Tobiyama, K. Tsuchiya, T. Uchiyama,A. Ueda, K. Umemori, J. Urakawa, K. Watanabe, M. Yamamoto, N. Yamamoto, Y. Yamamoto, Y. Yano, M. Yoshida― 機構外の共同研究者・研究協力者
National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology (QST)
R. Hajima, M. Mori, R. Nagai, M. Sawamura, T. Shizuma, N. Nishimori
Hiroshima University
M. Kuriki- 1257 -Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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当初から維持費に加えて 1 ヶ月分の運転経費が認められた。年度後半のビームライン建設を考慮して、6 月にビーム運転が行われた（Fig. 1）。今年度は外部資金による 2 つのプロジェクトが進行しているため、4 月、6 月、10月、3 月に計 4 回の運転が予定されている。
Table 1: Operation Statistics in cERL from FY2013 to2018年度

冷凍機運
転時間(h)cERL 運転時間(h)BEAM ON時間(h)2013（H25）
2014（H26）
2015（H27）
2016（H28）
2017（H29）
2018（H30）

3195
2931
2786
892
555
945

643.0
873.6
924.0
380.9
275.3
347.5

439.0
509.2
438.8
123.7
124.7
172.5

ムラインは 2018 年度後半より建設を開始し、2019 年 3 月に完成した。4 月 5 日から試験運転を開始し、4 月 12 日に施設検査を受け、4 月 17 日付で合格となった。4 月中は機器の較正やビーム調整手法の確立、空のターゲットに対する照射試験が行われた。5 月には一旦運転を休止し、cERL 加速器室の空調に HEPA フィルタを取り付ける工事が行われ、2019 年 6 月より、99Mo 製造、アスファルトへの照射実験が行われている。照射部モード利用時のビームパラメタを Table 2 に示す。照射時の利用目的に応じて最大エネルギー制限が異なる。
Table 2: Beam Parameters of the Irradiation Mode
ビームエネルギー

3.2（RI 製造）

21 MeV (Max)（理化学的研究）10 MeV (Max)バンチ繰り返し1.3 GHz平均電流

10 A (Max)

運転モード

CW or Burst

自由電子レーザーによる高平均出力中赤外光源の開発（新規プロジェクト）

KEK は NEDO（新エネルギー産業技術総合開発機構）からの競争的資金を得て、赤外 FEL プロジェクトを開始した[8-11]。このプロジェクトの目的は、KEK にある cERLを用いて赤外 FEL を建設し、その FEL を産業用レーザーに必要な加工データベースを構築するための光源として使用することである。この計画では cERL の南側直線部に周期長 24 mm、全長 3 m アンジュレータを 2 台設置し、電子エネルギー17.5 MeV、バンチ当たり 60 pC の電荷量のとき、波長 20 µm で約 1 µJ のパルスエネルギーの光を発生する。FEL 用にあらたに導入される 81.25
MHz 繰り返しの電子銃レーザーを用いて CW 運転した
ときの平均ビーム電流は 5 mA となるが、このときの平均レーザー出力は最大 100 W 程度と予想される。現在、FEL シミュレーションと並行して、ビームスタディを行い、cERL での FEL 発振に必要とされるビーム条件、運用時の技術課題の解決に取り組んでいる[12, 13]。cERLFEL で要求されるビームパラメタを Table 3 に示す。
Table 3: Beam Parameters of the cERL-FEL
Figure 1: Bar graph of operation statistics in cERL atFY2018.

3.

外部資金による 2 つのプロジェクトの進展と cERL 運転の成果

3.1

照射部ビームラインの建設と RI 製造、電子線照射試験（新規プロジェクト）

医療用 RI 製造のための基礎実験や、アスファルト改質、再生などの産業利用を念頭に置いた理化学的研究を目的として、cERL に照射部ビームラインが建設された[5-7]。これは民間出資による委託研究である。このビー

3.3

ビームエネルギー

17.5 -19.0 MeV

エネルギー拡がり

0.1% (RMS)

規格化エミッタンス

3 mm mrad

バンチ電荷60 pC

バンチ長

0.5 – 1 ps (FWHM)

繰り返し

81.25 MHz

高強度広帯域テラヘルツ光源の開発

cERL の低エミッタンス、短バンチ、高繰り返しというビーム特性を生かし、穴あき導体標的を用いたコヒーレ
ント回折放射（CDR）の発生や共振器型回折放射（R-- 1258 -Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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utilizing coherent diffraction radiation at cERL”, thisCDR）の実証試験を行っている[14]。今回、RCDR として、
conference, FRPI014.
わざと曲率半径をずらした非共焦点共振器を組み込む[16] H. Sakai et al., “Long-term operation with beam and cavity
ことで、RCDR の共鳴ピークの強度が低下し、広帯域同performance in Compact-ERL main linac at KEK”, this
時発振が損なわれることを確認した。また広帯域テラヘ
conference, WEPI019.
ルツ光を放射線シールドの外に輸送し、ユーザー利用 [17] F. Qiu et al., “Status of microphnics on cERL nine-cellcavities”, this conference, WEPH010.
するためのテラヘルツ光輸送ラインを構築した[15]。

3.4

上記以外の研究成果

前述の研究開発以外にも、長期ビーム運転下での主加速器部超伝導空洞性能の推移[16]や、超伝導空洞のマイクロフォニックスの状況[17]、大電荷バンチ生成のためのコヒーレントパルススタッキングによる電子銃励起レーザーの時間整形[18]、ビームコリメータと 60 pC 電子ビームに対するウェーク場評価[19]、超伝導空洞用のHOM ダンパーの研究[20]など cERL や ERL に関連した多くの研究に加えて、運転時消費電力の調査[21]なども行われている。

4.

[18] Y. Honda et al., “Temporal shaping of laser pulse for photocathode gun utilizing coherent pulse stacking”, thisconference, FRPI028.
[19] O. Tanaka et al., “A wake fields evaluation for beamcollimators and the 60 pC electron beam at the Compact ERLat KEK”, this conference, FRPI022.
[20] T. Ota et al., “Development of HOM absorbers for cw
superconducting cavities in energy recovery linac”, thisconference, FRPI004.
[21] Y. Honda et al., “Electricity consumption in the operation ofcERL”, this conference, THPH020.

まとめcERL は今年度から応用超伝導加速器センターの所属となり、これまで以上に産業利用や産業界への技術移転を積極的に推進することが期待されている。昨年から民間資金の導入で建設を進めてきた照射部ビームラインの完成により、99Mo 製造に関する研究開発、アスファルトの長寿命化の実験が本格的に開始された。また、これと並行して NEDO プロジェクトである高平均出力中赤外自由電子レーザーの建設準備が進められている。

参考文献[1] https://www.kek.jp/ja/About/OrganizationOverview/Assessment/Roadmap/KEK-PIP.pdf[2] M. Akemoto et al., “Construction and Commissioning of theCompact Energy-Recovery Linac at KEK”, Nucl. Instrum.
Meth. A 877, 197 (2018). doi:10.1016/j.nima.2017.08.051.
[3] https://www.kek.jp/casa/ja/[4] https://www.nedo.go.jp/koubo/IT3_100064.html[5] N. Higashi et al., “Commissioning of irradiation beam line
in cERL”, this conference, FROH09.
[6] K. Harada et al., “Construction and first beam test of the newindustrial application beamline at cERL in KEK for the RIproduction and electron beam irradiation”, this conference,
WEPH015.
[7] Y. Morikawa et al., “Development of target cooling system
in cERL electron beam irradiation section”, this conference,WEPH017.
[8] R. Kato et al., “Development of high-repetition MIR-FEL
based on cERL”, this conference, THPI015.
[9] K. Tsuchiya et al., “Development of the tandem undulators
for the cERL-FEL”, this conference, FRPI018.
[10] Y. Honda et al., “Options for upgrading IR-FEL at cERL”,
this conference, WEPI021.
[11] F. Sakamoto et al., “Numerical analysis of MIR Laser rightfrom cERL-FEL by using Genesis code”, this conference,
THPI014.
[12] M. Shimada et al., “Bunch compression operation for IRFEL at the compact ERL”, this conference, WEPI017.
[13] O. Tanaka et al., “High bunch charge injector operation ofcERL for infrared free electron laser test”, this conference,
FRPI025.
[14] Y. Honda et al., “Cavity design comparison for the resonant
coherent diffraction radiation”, this conference, WEPI020.
[15] Y. Honda et al., “Construction of terahertz beam line- 1259 -