Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

STATUS OF THE SPring-8 ACCELERATORS
Accelerator Division, JASRI/SPring-8∗ A) , and RIKEN Harima Institute Research Promotion DivisionB)A)
1-1-1 Kouto, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo 679-5198
B)
1-1-1, Kouto, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo 679-5148

Abstract
SPring-8 is a third generation light source facility, which consists of 1 GeV linac, 8 GeV booster synchrotron, and8 GeV storage ring. Here we report the present status of the SPring-8 accelerators, as well as the recent progress of theperformance improvement.

SPring-8 加速器の現状
加速器運転状況

1.1

運転統計

全利用運転時間の 97.3 %で 99.47 mA から 99.52 mA の間にある。

2009 年度 SPring-8 加速器運転統計は、表 1 に示す通りである。計画利用時間 4056 時間に対する実績 4014
時間 53 分と利用達成率 99.0 %を遂げている。

99.53
Stored Current [mA]

表 1: 運転統計.
総運転時間
マシン調整
内マシンスタディBL 及測定系調整
利用運転
ダウンタイム5068 時間 46 分
1019 時間 05 分
253 時間 59 分
144 時間 00 分
4014 時間 53 分
34 時間 48 分%!!(#!"!!#$!"!!#%!"!!#&!"!!#

99.51
99.50

104
top-up 103
102

99.49

101
100

0:020:04

0:060:08

00:10

204060Current / mA

80

100

SPring-8 のトップアップ運転では、目標電流値 99.5mA で、99.4 mA を下回ったら中断したものと定義している。2009 年度は、164 回、計 45 時間 56 分のトップアップ中断があった。中断原因の主なものは、線型加速器モジュレータフォールト（60 回）とブースター RF ダウン（42 回）であった。それぞれ、中断時間に対する割合は、40 %と 25 %であった。これらは高出力の機器であるためフォールトを全くなくすのは困難ではあるが、信頼性を上げ、フォールト率を下げるための改善が続けられている。
          '!"!!#

図 1: 2009 年度ダウンタイム内訳.

1.2

down time105

図 2: 2009 年度利用運転中の蓄積電流値とその分布.


#-&(+/!% *).",$'0 %!!)#

top-up 106

99.48
0:00

過去 3 年度のダウンタイム内訳を図 1 に示す。総ダウンタイムは若干増加している程度であるが、電磁石（電源）によるものが大幅に増加している。

%!!*#

107

2009/07/01
99.52



1.



!

図 3: 2009 年度トップアップ中断回数と中断時間内訳.

トップアップ運転状況

SPring-8 では平均蓄積電流値の改善、安定化のため、利用運転中も電子ビームを入射するトップアップ運転を行っている。トップアップ運転では、入射電流値は 30µA に絞られ、ビーム寿命によって 20 秒から数分間隔でビーム入射が行われる。典型的なトップアップ運転状
況を図 2（左）に示す。
右図は、全利用運時間中の蓄積電流値の分布をプロットしたものである。毎秒データベースに記録している蓄積電流値を 0.01 mA 刻みで分布を見た。蓄積電流値は、∗ takao@spring8.or.jp-99-2.

加速器改善

2.1

線型加速器

2.1.1 電子銃二重化 電子銃がカソード交換を要するような重篤なトラブルがあった場合、復旧に多大な時間を要するので、トップアップ運転が長時間中断するだけではなく、ダウンタイムにも至りかねない。電子銃の信頼性向上のため、SPring-8 では電子銃の二重化を進めてきた。2007 年 9 月には第 2 電子銃真空チャンバーが設置され、2009 年 9 月には第 2 電子銃用高圧デッキとモジュレータが設置された。この間に、第 1 電子銃故Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

障のため、2008 年 10 月から 12 月までの利用運転で第1 電子銃用電源による第 2 電子銃緊急運用があった。各電子銃の専用電源設置が終わり、現在は加速器安全インターロックを含め制御の整備を進めており、本年 10 月
二重化電子銃チェンバーの設置以降には迅速な切り替えが可能になる。
異なる角度からングルバンチを生成して、蓄積リングへ入射している。
ユーザの要求はバンチ不純度 10−8 以下と非常に厳しく、RF-KO に用いるキッカーアンプの不発があると、不純度の高いビームが蓄積リングに入射され、蓄積ビーム廃棄、再入射の必要があり、ダウンタイムに直結する。
これを避けシステムの信頼性を向上するため、2009 年
9 月に RF-KO システムの二重化がなされた。
RF-KO システム 1,2 の稼働状態とバンチ不純度の関係は、表 2 に示す通りである。どちらか 1 台が稼働していれば、不純度 10−9 以下とユーザの要求を満たしている。
表 2: RF-KO システム稼働状態とバンチ不純度.

NEG

2

RF-KO
12稼働 稼働稼働 停止
停止 稼働停止 停止1

図 4: 第 2 電子銃配置.

2.1.2 クライストロンモジュレータ改良 線型加速器クライストロンモジュレータでも、信頼性向上のための改良が加えられている。
メンテナンス性向上も考慮し、サイラトロンスタン
ド更新が行われ、モジュレータフォールト率の減少に貢献している。主な改良点は以下の通り。

バンチ不純度主バンチ前方
主バンチ後方
3.4 × 10−10 以下 8.1 × 10−10 以下
3.5 × 10−10 以下 5.9 × 10−10 以下
3.6 × 10−10 以下 8.4 × 10−10 以下
9 × 10−8 以下
7 × 10−6 以下

2.2.2 省エネルギー運転 [1] ブースターシンクロト
ロンは、1-8 GeV のエネルギーランプアップを 1 Hz で行い、これに対応して主電磁石はパターン運転をしている。SPring-8 トップアップ運転でのビーム入射は、ビー• スタンド下部アース強化。
ム寿命に依存して 20 秒から数分に 1 ショットの頻度で• 冷却能力強化のため、スタンド下部にあった冷却行われるが、磁場等の安定性を考慮してビーム入射がなファンを横付けに変更。
い時でもブースター主電磁石はパターン運転を連続し• 分圧回路をサイラトロン本体を囲むチムニー型か ていた。
らサイラトロン側方に配置するオープン型に変更。
そこで、トップアップ運転においてビーム入射がない
また、HV Fanout 回路が温度ドリフトが激しいなど安 時にはパターン運転を停止して、ブースター主電磁石の定でなかったため、特性を揃えるよう回路の改修を行っ 消費電力を最大 1/5 にまで削減することができる。このた。この結果、図 5 に見られるように、PFN 電圧の長 時に問題となるのが、熱負荷変化に伴う磁場の変動であ期安定度が向上した。図 5 は、リニアックモジュレータ る。四極磁場が変化すると、ベータトロンチューンが変の 1 台（H0 モジュレータ）の設定値に対するモニタ値 動し、RF-KO の共振から外れ、図 6 に示すようにバンの比を Fanout 回路更新前後 1 年に亘ってプロットした チ純度の悪化を引き起こす。
ものである。更新前は長期的な変動が見られるが、更新後は一定になっている。
10-610-7 

Monitor Value / Set Value

1.011.00




10-8

10-9
0.99

0.98
4/1
2007

7/1

10/1





1/1
2008

4/1

10-10
11/28
2006
7/1

10/1

1/1
2009

11/29

11/30

12/1

12/2

12/3

12/4

12/5

4/1


図 6: 省エネルギー運転実施後のバンチ純度.



図 5: Fanout 回路更新前後の PFN 電圧変動.

2.2ブースターシンクロトロン

2.2.1 RF-KO システム二重化 SPring-8 蓄積リングのシングルバンチ運転では、ブースターシンクロトロンに設置された RF-KO 方式によるバンチ純化装置でシこれを解決するため、電磁石系および電磁石電源系の冷却水温度の精密調整が可能となるよう各冷却設備改造を実施した。この結果、機器の温度変動が抑えられ、ベータトロンチューンが安定化して、図 7 に示されている通り、省エネルギー運転実施後の利用運転中に純度の悪化は全く見られていない。

-100-

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表 3: SPring-8 利用運転に使用されるバンチフィリングモード.

Mode

Multi-bunch
203 Bunches
HybridFilling Pattern
Train
Fill
バンチ数
160 bunch-train × 12
1920
1/73481 / 14174
2 / 29168
4 / 58168Singlet
バンチ数
2035122653




Attenuation / dB
Train Singlet

0.05
0.50

12.36
3.47
3.73
3.61

020

0.24
0.46
0.38
0.28

3.01.61.41.02020202035353535

10-8

2010
1201/16 1/21 1/26 1/31 2/5 2/10 2/15 2/20

10-9110

10-1010/1
200911/1

12/1

1/1
20102/1

  Ratioまで下げることができた。この結果、利用運転時の入射効率が 10 %程度改善された。図 8 に垂直クロマティシ
ティ変更前後の利用運転サイクル中の入射効率を示す。

10-7



電流値 / A
Train Singlet

3/1

        

100
908070

図 7: 省エネルギー運転実施後のバンチ純度.

2.360
200911/10 11/15 11/20 11/25 11/30 12/5 12/10 12/15

蓄積リング

2.3.1 BBF 改良と低クロマティシティ運転 SPring8 蓄積リングの特徴の一つに、多彩なバンチフィリング
パターンがある。時間構造を必要としない実験には、可能な限り多くのバケットに電子を蓄積しバンチ電流値を抑えたマルチバンチモードを使用する。時間構造を必要とする場合は、全周に等間隔でシングルバンチを蓄積する。特に広い時間間隔を必要とする場合にはバンチ電流値が大きくなるが、これによる RF コンタクトやセラミックチャンバーでの発熱の問題で、シングルバンチ電流値が制限されている。その場合、蓄積電流値 100 mAを確保するため、一部の間隔を連続的にバンチ（バンチトレイン）で埋めたハイブリッドモードが使用される。
現在、SPring-8 の利用運転中に使用されるバンチフィリングモードを表 3 に示す。
蓄積リングでは、ビーム不安定性を抑制するため
bunch-by-bunch feedback (BBF) が導入されている。ところが、フィリングモード 1/7 ﬁll + 5 single bunches
では、表 3 にある通りトレイン部とシングルバンチ部
電流値の高いコントラストのため、シングルバンチ部の垂直方向不安定性が十分に抑制できなかった。シング
ルバンチ部の信号レベルが高すぎるため飽和してしまい、フィードバックが働かずに不安定性が起こるからである。このため、2009 年 12 月までは垂直クロマティシ
ティを 6 と大きな値に設定することで、ランダウ減衰を利用して不安定性を抑えていた。
この状況を解決するため、バンチ電流値に応じて自動的に減衰率を変える減衰器の開発を進めてきた [2] 。これにより、入力信号の減衰率を表 3 にある通りトレイン部とシングルバンチ部で変えられ、飽和の問題を避けることができる。同時に、BBF キッカーのパワー増強もなされ、2010 年 1 月より垂直クロマティシティを 2

図 8: 垂直クロマティシティ変更前後の利用運転サイクルの入射効率.

2.3.2 ビーム入射時の蓄積ビーム振動抑制
利用実験中もビーム入射を行うトップアップ運転では、ビーム入射に伴う蓄積ビームの振動を極力抑えなければいけない。このため、SPring-8 では入射時蓄積ビーム振動抑制の努力を続けてきた。入射時蓄積ビーム振動の主な原因は、入射バンプ軌道内にある六極電磁石の非線形磁場によるキック [3] とバンプ軌道を形成する 4台のバンプ電磁石の磁場波形の非相似性 [4] である。前者については、六極電磁石非線形磁場が相殺するラティスを開発することでほぼ解決した。
バンプ電磁石磁場波形の非相似性は、外側 2 台と内側 2 台の形状が異なるため、キック量に差があることに起因する。バンプ電磁石磁場波形の始点付近では、キック量の違いから電源の立ち上がり特性がずれるため相似性が崩れ、その残差によって蓄積ビームが蹴られる。
一方、終点近傍では、バンプ電磁石の金属端板を流れる渦電流の影響によって蓄積ビーム振動が引き起こされていた。バンプ電磁石形状によってバンプ電磁石磁場と渦電流による磁場の比率が異なり、磁場波形の相似性が乱れていた。これによる蓄積ビーム振動の振幅は 2 mmにも達するものであったが、渦電流が流れないよう非金属端板を持ったバンプ電磁石に更新することでほぼ解消した。
立ち上がりの入射時蓄積ビーム振動の抑制に関しては、補正用高速キッカーの開発が進められている [6] 。図9 の赤線は、バンプ電磁石励磁後の蓄積ビーム振動をturn-by-turn BPM で測定したものである。ビーム周回時間は 4.8 µs、バンプ電磁石パルス幅 8 µs、x 軸の原点が-101-

Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

0.6

Oscillation before giving kick
Suppressed oscillation after giving kickRMS (mm)

0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
001234567Turn

図 9: 高速キッカーによる蓄積ビーム振動の抑制.
バンプ電磁石立ち上がりに対応する。蓄積ビームは、立ち上がりで蹴られるため周回毎に振幅がピーク状に大きくなっている。これをキャンセルするための高速キッカーが開発され、2010 年 10 月以降の利用運転で本格運用される予定である。図 10 は、高速キッカーパルス幅に対する蓄積ビーム振動抑制効果を見たものである。図9 の青線は、補正後の蓄積ビーム振動を表す。高速キッカー設置場所のベータトロン位相の関係から、バンプ電磁石励磁後 3 ターン目に高速キッカーは励磁され、それ以降の蓄積ビーム振動が抑えられている。
0.4

Oscillation before giving kick
Kick with PW 0.8 us
Kick with PW 0.9 us
Kick with PW 1.0 us

0.35

RMS (mm)

0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
02.6

2.833.2

3.4Turn図 10: 高速キッカーによる蓄積ビーム振動の抑制.
また、バンプ電磁石は水平方向に蓄積ビームをキックするものであるが、回転エラーのため垂直方向にもキックすることになる。これを効率よく補正するため、遠隔バンプ電磁石 tilt 制御システムを開発した [5] 。現在、更なる抑制を目指して調整手法の改良が進んでいる。元々、振動を測るモニタとして turn-by-turn BPM を用いていたが、S/N の関係で抑制性能が制限されていた。モニタとして可視光干渉計ビームサイズモニタを用いることで、抑制性能が改善することができた。現在、更なる向上を目指して、感度の良い BBF のビーム位置モニタを用いたバンプ電磁石 tilt 調整法を開発している。

参考文献[1] T. Aoki, et al., 本年会報告集, THPS120.
[2] K. Kobayashi, and T. Nakamura, Proc. of ICALEPCS2009(2009), 659.
[3] H. Tanaka, et al., Proc. of EPAC04 (2004), 1330; H. Tanaka,et al., Nucl. Instrum. Method A 539 (2005), 547.
[4] T. Ohshima, et al., Proc. of EPAC04 (2004), 1330.
[5] K. Fukami, et al., Proc. of EPAC08 (2008), 2172.
[6] S. Mitsuda, et al., 本年会報告集, WEPS036.

-102-