ACCELERATOR SYSTEM FOR THE CENTRAL JAPAN SYNCHROTRONRADIATION FACILITYAki Murata #,A), Koichi Nakayama A), Naohisa TsuzukiA),Teruyasu Nagafuchi A), Shinya MatsudaA),
Junko WatanabeA), Kosuke SatoA) ,Yoshifumi Takashima,B), Masahito HosakaB), Naoto YamamotoA) ,Kiyoshi TakamiB), Hiroyuki MorimotoB) , Atsushi ManoB), Takumi TakanoB), Masahiro KatohC),B) ,Yoichiro HoriD),B), Shigeki SasakiE),B) ,Shigeru Koda,F),B)
A)
Toshiba Corporation Power System Company, 8 shinsugita,isogo-ku,yokohama 238-8523
B)
Synchrotron Radiation Research Center,Nagoya University,Furo-cho,Chikusa-ku,Nagoya, 464-8603
C)
Institute for Molecular Science, National Institute of Natural Science, Myodaiji-cho,Okazaki 444-8585
D)High Energy Accelerator Research Organization, KEK, 1-1 OHO, Tsukuba, Ibaraki 319-1112
E)
Japan Synchrotron Radiation Research Institute(JASRI/Spring-8), Kouto, Sayo-cho,Sayo-gun, Hyogo 679-5198
F)
Saga Light Source, 8-7 Yayoigaoka, Tosu, Saga, 841-000

Abstract
Accelerator system for Central Japan Synchrotron Radiation Research Facility that consists of 50MeV electron Sband linac, 1.2GeV full energy booster synchrotron and 1.2GeV storage ring , has been constructed.
Eight 1.4T bending magnets and four 5T superconducting magnet with compact refrigerator system provide beamlines.
For top-up operation, the 1ns single bunch electron beam from 50MeV injector linac is injected by on-axis injection
scheme and accelerated up to 1.2GeV at booster synchrotron. The timing system is designed for injection from booster
ring is possible for any bunch position of storage ring. To improve efficiency of booster injection, the electron gun
trigger and RF frequency of 2856MHz is synchronized with storage ring frequency of 499.654MHz. The EPICS
control system is used with timing control system for linac, pulse magnet and also for booster pattern memory system.
The beam commissioning for 1.2GeV storage ring has been progressing.

中部シンクロトロン光利用施設
1.

はじめに

愛知県では、次世代モノづくり技術の創造・発信の拠点として、「知の拠点」の整備を進めている。
この拠点には共同研究施設とともに、中部シンクロ
トロン光利用施設[1]（仮称）(以後中部シンクロトロン)を「地域共同利用施設」として、誘導・整備する計画を進めている。
中部シンクロトロンは、次世代のモノづくりに不可欠なナノレベルの先端計測分析施設として、地域の産・学・行政による連携・協力のもとで建設が進められ、2012 年度の運用開始を予定している。

２

省スペース化を図った。ブースターの内側には、光源リング高周波システムを配置し、さらに電磁石電源を、2 階に配置した。配置概念図を、図 2-1 に示す。

加速器システム

加速器は、直線加速器・低エネルギービーム輸送系(以後 LBTL)・ブースターシンクロトロン(以後ブースター)・高エネルギービーム輸送系(以後HBTL)から構成される入射部と、光源リングから構成される。
55m×70m の小型施設に配置するため、光源リングの内側にブースターおよび直線加速器を配置し、_________________________________________#

加速器システム

aki.murata@toshiba.co.jp- 1002 -

図２－１：加速器配置概念図

る。また、ラティス設計は、SPring-8 のブースターシンクロトロン並みの低エミッタンスを実現するた
めに BESSY-II タイプとした。低エミッタンスの実そして、以下の点を特徴として設計を行った。
現により、ビームサイズの縮小が可能になり、真空ダクト径及び電磁石のギャップを小さくすることが① 55m×70m の小型施設出来る。加えて光源リングに入射するビームのビー② 蓄積ビーム電流
300mA 以上
ム径を小さくすることが出来るので、光源リングへ③ ビームエネルギー 1.2GeVの入射効率を向上させることが出来る。
④ 当初整備予定のビームライン 6 本
高周波システムとしては、空胴に印加するパワー⑤ 超伝導偏向電磁石の採用により、硬Ｘ線の利が 6.2kW と低いことから、高周波源に、10kW 出力用が可能の TOMCO 社製の半導体アンプを採用する。
⑥ トップアップ入射による一定電流運転が可能
真空システム[2]は、1.0×10-5Pa 以下を目標として、⑦ 運転管理容易化のため、制御システムをEPICS で構築設計し、イオンポンプのみで構成した。
加えて、安定した運転を行うためシングルバンチ
２．１ 直線加速器[２]運転を行う。シングルバンチ運転は、リング内のある一箇所のバンチにのみビームを乗せる運転で、バ直線加速器は、電子ビームを発生させるための電 ンチあたりの電流を高くすることが出来る。
子銃部と、50MeV まで加速する加速管部からなる。 さらにトップアップ運転を行うことを前提とする。
表１に、パラメータおよび図 2-2 に加速管部を示す。 トップアップ運転を行うことにより光源リングの蓄電子銃のカソードは、CPI 社の Y-845 を使用する。 積電流値が一定に保たれるため、加速器やビームラこのカソードに約 55 V の引出し電圧を印可し、2 A イン光学素子への熱負荷が一定になり、ビームを安の電子ビームを得る。高周波源は東芝電子管デバイ 定化させることが出来る。
これらのシングルバンチ運転やトップアップ運転ス株式会社製 E3730A(共振周波数 2856MHz)を採用し、電源は東芝電波プロダクツ株式会社製の電源を には、高精度のタイミングが要求されることから、SPring-8 の電子ビーム入射システムおよび KEK-PF採用した。
等での納入実績をベースに、直線加速器、ビーム輸送系およびブースターシンクロトロンのシステムを
表２－１：直線加速器パラメータ設計した。パラメータを、表 2-2 に示す。
電子ビームエネルギー50MeV
加速電荷量<1nC
表２－２：ブースター パラメータ
エネルギー幅±0.5%
パルス幅<1nsec
入射エネルギー
50MeV
規 格 化 エ ミ ッ タ ン ス (90 ％ )100πmm出射エネルギー
1.2GeVmrad
周長48m
加速繰り返し1Hz
ベータトロンチューン
2.75/1.75
加速周波数2856MHz
Chromaticity-2.46/-2.34
Momentum compaction
0.129
エミッタンス(1.2GeV)
214nm
加速周波数
499.654MHz
ハーモニック数
80
繰り返し
1Hz２．４

図２－２：５０ MeV 直線加速器
２．３ブースターシンクロトロン[３]ブースターシンクロトロンは、周長 48m で、偏向電磁石・四極電磁石・六極電磁石・ステアリング電磁石、モニタ類、高周波空胴で構成され、直線加速器から入射された電子ビームを、1.2GeV まで加速する。共振周波数は、499.654MHz を採用してい光源リング

光源リングは周長 72m で、ブースター同様偏向電磁石・四極電磁石・六極電磁石・ステアリング電磁石、モニタ類、高周波空胴で構成される。4 本の約 5.2m の直線部には、1 ヶ所はビーム入射部、１ヶ所は高周波加速部、残りの 2 ヶ所は挿入光源(現状 APPLE-II タイプのアンジュレータ 1 台)を配置する。ビーム計測用機器等も、これらの直線部に分散して配置する。
ラティスは 4 回対称のセル構造で、ラティスのタ
イプは、Triple Bend (TB)で 3 組の偏向電磁石および8 台の 4 極磁石で、長直線部のエネルギー分散関数および動作点のチューンを調整可能な構造にしている。全 12 台の偏向電磁石中 4 台を偏向磁場 5T の- 1003 -超伝導電磁石としている。これにより小型・低エネルギーの加速器を用いても 10keV 超の X 線ビーム 図２－３：５ T 超伝導電磁石(左)ラインを 10 本以上供給することが可能になる。図 図２－４：高周波空胴(右)2-3 に超伝導電磁石を示す。
光源リングの電子ビームのパラメータは、エネルギー1.2GeV、電子ビームエミッタンス約 50nm-rad 、300mA である。
光源リングには、放射によるエネルギーロスをRF 電場で補うために、高周波空胴を設置する。そして大電流運転を実現するためには、加速空洞の高次モードに起因するビーム不安定を抑制することが重要と考え、KEK-PF で開発された 500MHz の高次モード減衰型空洞を採用した。本空洞は、KEK-PFに 1997 年に納入後に入力電力 140kW の運転実績があり、現在まで約 12 年間安定に稼働している実績を持つ。国内ではニュースバルや佐賀放射光施設でも採用され、安定に稼働している。海外でも、豪図２－５：光源リング高周波系
州放射光に 2006 年に採用されて安定に稼働している。図 2-4 に、高周波空胴を示す。
２．５ 制御システム
高周波源であるクライストロンは、実績のある東芝電子管デバイス株式会社製 E3774A を採用した。
運転制御システムは、計算機(ワークステーショ
図 2-5 に、高周波系システムを示す。これら高周波システムをブースター内側に配置することで、加速 ン)やコントローラによる自動化により、日常的な加速器の運転は運転員への負担を最小限とするよう器の省スペース化を可能にした
真空システム [2] は、ビーム寿命確保のため 1.0× システム設計を行う。構成要素には汎用品や加速器
10-7Pa 以下を目標として、イオンポンプや蒸着形の でよく用いられている製品を採用することを基本とチタンサプリーションポンプを配置しており、放射 する。
光が当たってガスが出る偏向部のダクトには、NEG
２．５．１ 計算機システムとネットワークポンプ(Non-Evaporable Getter pump)をダクト内に挿直線加速器から光源リングまで加速器一式の運入している。
転・監視を制御室で集中して行うため、各機器と計パラメータを、表 2-3 に示す。
算機システムとの信号インターフェースは、ネットワークとする。必要に応じて、2 階電源室において
表２－３：光源リング パラメータもネットワークに端末を接続して、機器の操作や蓄積電子エネルギー
1.2 GeVデータ表示を行えるようにする。このシステムは、周長72 m複数の計算機で構成した。
蓄積電流> 300 mA
ソフトウェアとして、EPICS (Experimental Physics
エミッタンス
53 nm-radandIndustrial Control System)を採用することによりベータトロンチューン
4.72/3.23
運転・監視のためのソフトウェアの開発が容易にで
RF 周波数
499.654 MHz
きる。
RF 加速電圧500 kV
全 体 制御のため、ワークステーションは CentRF バケットハイト> 0.990 %OS
上に EPICS IOC を構築して制御ロジックを SNLエネルギーロス86.2KeV /turnで作成する。各機器の個別の制御は、機器装置によ周回周波数4.164MHzり構成する。多くは汎用のプログラマブルコント
ハーモニック数120ローラー（以後 PLC）が利用されると想定するが、EPICS での利用が可能なものとする。
個別制御用 PLC は、EPICS に対応した Linuxベースの F3RP61-2L(横河電機製)を適用し、この上に IOC、SNL を組み込んだ。オペレーション用のウインドウは EDM で作成した。
真空ポンプなどの通常は停止することなく運転したままとなる機器については、遠隔から運転状態の監視を可能とし、運転操作は現場制御盤から行う。
システムの全体構成図を、図 2-6 に示す。

- 1004 -ブースターシンクロトロンの電磁石電源の電流と高周波加速空洞の電圧については、ビーム入射から加速して出射までの変化パターンを与える必要があり、このパターン発生のためにパターンメモリを採用する。このパターンメモリに対して、動作開始のトリガと出力動作のクロックとをタイミングシステ
ムは供給する。
２．５．３ インターロックシステム
安全・機器保護インターロックについては、制御ネットワークとは独立して必要最小限の信号の授受を行って、インターロックシステムを構築する。このためにインターロック盤を備える。
２．５．４
図２－６：制御システム全体構成図
２．５．２ タイミングシステム
タイミングシステム（タイミング制御装置）は、光源リングのシングルバンチ、トップアップ運転に対応するため、リング用の RF(499.654MHz)発生と直線加速器用の RF(2856MHz)を同時に発生する高精度、高安定のマスターオッシレータを開発した。このマスターオッシレータは、図 2-7 に基本構成を示
す よ う に 、 直 線 加 速 器 の 2856MHz は リ ン グ の499.645MHz に同期して、ここでパルス変調して出力する。このため、直線加速器の RF 開始位相を光源リングのバケットに同期させることができ、シングルバンチ入射のジッタを低減する。トリガ系は、すべてのトリガをリングの RF に同期させるために
SPring8 で 開 発 さ れ た Synchronous UniversalCounter(SUC)を適用した。またマスターオッシレー
タや SUC の安定化のために、この部分を収納するラック内部を温度コントロールしている。

自動起動・停止システム

日常的な運転で、待ち時間がある、あるいは煩雑で間違いやすい運転操作は自動化する。この自動シーケンス制御のロジックは、 PLC や EPICS により作成する。タイミング制御については、各タイミ
ング信号のディレー値を設定ファイルから与えるロジックを自動シーケンスに組み込む。

３. 現状および今後の予定[5]中部シンクロトロン光用施設（仮称）の加速器システムは、機器の据付・アライメントおよび加速器機器調整が終了して 2012 年 3 月末に 50MeV 直線加速器でのビーム加速に成功して、所定の性能が得られている。2012 年 4 月末には、1.2GeV ブース
ターシンクロトロンへのビーム入射および 1.2GeV加速を確認した。その後、光源リングへのビーム入射試験を続けて、2012 年 7 月末にビーム蓄積に成功し、ファーストライトを観測した。
今後は、定格の蓄積電流 300mA を目指してビーム調整作業を続けていく。

リング
1GHz

OCXO
100MHz

DDS

×10

DDS

STOP
カウンタ

マスタートリガ

BPF

168MHz直線加速器
2856MHzパルス

×17

start
START/×2

BPF

COMGEN

499.654MHz

BPF

PINSW

stop
マスターオッシレータ基本構成図

図２－７：マスターオッシレータ構成図

参考文献[1] Y. Takashima, et.al., ”Present Status of Accelerators of theCentral Japan Synchrotron Radiation Facility”, TheseProceedings,THPS012[2]M.Yamamoto, et al., ” DESIGN OF THE 50MEV LINAC
OF THE CENTRAL JAPAN SYNCHROTRON RADIATIONFACILITY”, These Proceedings, THPS027[3]K. Nakayama, et.al.,”BOOSTER SYNCHROTRON FOR
CENTRALJAPANSYNCHROTRONRADIATION
FACILITY”,These Proceedings, THPS046[4] S. Matsuda, et.al., ”Vacuum system for the Central Japan
Synchrotoron Radiation Facility”, These Proceedings,THPS058[5] N. Yamamoto, et.al., ” Commissioning of Accelerators ofthe Central Japan Synchrotron Radiation Facility ”, These
Proceedings, THPS040[6]http://www.astf-kha.jp/synchrotron/status/kougen/- 1005 -