DBAを用いたCSR効果の抑制
原 徹1, 稲垣 隆宏1, 近藤 力2, 渡川 和晃1, 深見 健司2,中澤 伸侯3, 長谷川 太一3, 森本 理3, 吉岡 正倫3,
前坂 比呂和1, 大竹 雄次1, 田中 均1
1) 理化学研究所 SPring-8センター
2) JASRI
3) スプリングエイトサービス（株）

はじめに• SACLAではこれまで、BL3（またはBL2）1本のビームラインを使ってXFELユーザー実験を実施。
• 増加するユーザー実験数に対応するため、BL2とBL3を同時利用するマルチビームライン運転を2015年より試験。
• ピーク電流が10 kAを超え、バンチ長10〜20 fs（FWHM）のSACLAのビームでは、BL2ドッグレッグ部のCSR効果でビームが不安定に。
BL2ではピーク電流を3 kA以下に抑えて運転。
• BL2においても、高ピーク電流バンチを用いたフル性能のレーザーパルスが安定に出せるよう、2017年1月にBL2ドッグレッグ部のビーム光学系を大幅に変更してCSR効果を抑制。

SACLA accelerator

BL2ドッグレッグ部の改造• 従来の磁石配置

Q mag
電子ビーム

DC bend-3°

Inversed bend
0.213°

Inversed bend
-0.213°

Septum Kicker
2.47° 0.53°

位相差2π2017年1月に改造• 新配置（Double DBA）
DC bend
-1.5°

Q mag

DC bend
-1.5°

位相差π

DC bend
1.5°

位相差π

電子ビーム

Kicker1.5°

位相差π

CSR効果をキャンセルするには、バンチ長一定が条件。
DBAセンターのQ-magのオフセンターにビームを通しR56を0に調整。

改造前後のラティス
160

1600.4140

Vertical beta function

1000.08060

Horizontal beta function-0.2401200.2100

Horizontal dispersion
0.08060
Horizontal beta function
4020-0.400102030z (m)4050

旧ビーム光学系

60-0.2

Vertical beta function

20-0.400102030z (m)4050

新ビーム光学系

60

Horizontal dispersion (m)0.2

Horizontal dispersion (m)Horizontal dispersion

Beta functions (m)120Beta functions (m)0.4140キッカー電磁石用パルス電源

キッカー電磁石（ヨーク長0.95 m, 最大磁場 0.9 T）

パルス磁場安定性

パルス電源（60 Hz, 1 kV-299 A）

SiC素子を使用することで、安定性を保ったままパルス電源の高出力化に成功。
（近藤他 TUOM03）。

CSRの抑制（simula?on）
ドッグレッグ改造前（旧ビーム光学系）

改造後（新ビーム光学系）

ドッグレッグ通過後のエネルギー変化
電子バンチ初期条件
ガウス分布, 8 GeV,
10 fs (FWHM), 10 kA
0.8 mm-mrad.
8 mm-mrad

0.9 mm-mrad

水平方向のバンチのねじれ

CSRによるエネルギースプレッドは避けられないが、水平投影エミッタンスの増加は10 %程度に抑えられる。

CSRの抑制（測定結果）
ドッグレッグ改造前（旧ビーム光学系）
16 pm-rad

改造後（新ビーム光学系）

ドッグレッグ通過後の水平方向軌道変動

1.9 pm-rad

ビームエネルギー7.9 GeV,
30 Hz振り分け運転

0.7 pm-rad

0.8 pm-rad
垂直方向軌道変動
ドッグレッグのないBL3の軌道変動は、水平0.8 pm-rad、垂直0.5 pm-rad.

水平方向の軌道変動が約1桁減少、SACLAの10 kA
ビームを安定にBL2へ輸送することに成功。

マルチビームライン運転
BL2とBL3を使用した60 Hzマルチビームライン運転
BL2

BL3

•

10000

High peak current(230 pC)

Current (A)

8000
6000

Low peak current(170 pC)

4000

•

2000
0050100150200Time (fs)250300350•

従来BL2はピーク電流を3 kA以下抑えないと安定したレーザーが得られなかったが、ドッグレッグ部の改造により、10 kAのビームでも安定した発振を達成。
ピーク電流が上がったことにより、レーザー出力も2倍以上に増加。
各BLの波長はK値で独立に調整可能。

マルチエネルギー運転
より広い波長可変範囲を実現するため、K値に加えてBL毎にビームエネルギーを調整。
Reference RF clock signal
60 Hz trigger line
Counter Counter

60 Hz 60 Hz

Counter Counter

30 Hz 30 Hz
6.5 GeV electron
bunches at 60 pps•••

Counter Counter Counter

30 Hz 30 Hz 30 Hz
10 unit at 30 Hz
RF units (130 MV/unit)

L2tBaVGe s)
5.
p
7.8 GeV Counter 6 (30 p60 Hz
7.8 GeV at
BL3 (30 pps)
Kicker
6.5 GeV

BC3下流のCバンドクライストロン52台中、10台のクライストロン（加速管20本）を30 Hzで運転。
60 Hz電子バンチのうち、半数は6.5 GeVまで、残り半数は7.8 GeVまで加速。
キッカー電磁石で6.5 GeVバンチをBL2へ、7.8 GeVバンチをBL3へ振り分け、マルチビームライン運転においても広い波長可変性を確保。

マルチビームライン運転
ビームエネルギーはBL2が6.5 GeV、BL3が7.8 GeV
BL2

BL3

BL2のビームエネルギーはそのままで、BL3のエネルギーを6.5 GeVから7.8 GeVへ上げることでレーザー波長は7.0 keVから9.9 keVに。
• ビームライン毎にビームエネルギーを変えるマルチエネルギー運転においても、安定なレーザーが得られている。
•SACLA accelerator

BL2ドッグレッグはR56=0

BL3シケインはR56=-0.8 mm
2本のBLで最適なバンチ圧縮のパラメータ（RF位相）が少しずれる。

BL毎にRF位相を調整
ビームエネルギー BL2 6.5 GeV
BL3 7.8 GeV
アンジュレータK値 BL2 2.6
BL3 2.1
加速器繰り返し 60 Hz
BL2繰り返し
30 Hz
BL3繰り返し
30 Hz

BC3 CSRモニター（バンチ長に相関）の出力

入射部238 MHz cavityの位相

238 MHz cavity phase (degree)

112.85112.80

BL2112.75
112.70

BL3112.65
112.60
01000

2000

Pulse number

3000

まとめ• SACLAでは、BL2ドッグレッグ部の改造によりCSR効果の抑制に成功、10 kA以上の60 Hz電子バンチを2本のBLに交互に振り分け同時レーザー発振を達成。ピーク電流の増加により、従来150-200 μJだったレーザーパルス出力が400-500 μJに。
• 線型加速器のビームエネルギーをバンチ毎に制御することで、広い範囲でBL毎にレーザー波長を変えることに成功。更にバンチ毎にRF位相を変え、バンチ圧縮パラメータを最適な値にすることで、BL毎にR56が異なっても常にレーザー出力を最大化。
• SCSS+線型加速器で駆動するBL1と合わせ、SACLAでは3本のBLの同時運転を2017年秋よりユーザー実験に供用し、ユーザータイムの大幅な拡大を目指す。