SACLAマルチビームライン運転に向けての取り組み
原 徹A), 稲垣 隆宏A), 近藤 力B), 渡川 和晃A),
深見 健司B), 中澤 伸侯C), 大竹 雄次A), 田中 均A)A) RIKEN SPring-8 CenterB) JASRIC) SPring-8 Service CO., Ltd.

SACLA Facility
0.5 MeV

35 MeV

ApertureGun
476MHzS-bandCB-correction(3m×8)

7.45°

Chopper

Z=0 m

BC1
Injector

C-bandBC2

Beam dump(R56~-41mm)

LB-correction

1.41°

3.13°

Energy slit

L-APS (2m×2)

238MHz1.4 GeV

400 MeV

BC3(1.8m×24)(R56~-37mm)(R56~-7.5mm)

Z~50 mZ~13 mQ-mags fordispersion correction

Z~120 m

SCSS+

BL1

Modified YAG screen
to avoid COTR

BL2

DC twin-septum

Undulators(4.5m×3) λu=18 mm
ID01-08

Kicker3°

BL3Deflector Main C-band(1.8m×104)
cavityID09-18

Undulators(5m×18) λu=18 mm
0.36°

ChicaneID01-08

BL3 chicane

BL4(1.8m×2)

ID01-03

ID09-21

Undulators(5m×21) λu=18 mm

Beam dump

To users

Beam dump

BL5XSBTTo SPring-8
Z~390 mZ~615 mExperimental
hall

SACLA BL2の現状
Undulator K=2.85

100Pulse energy (µJ)

ü BL2とBL3の2本のBLを使ったマルチビームライン運転で安定なレーザー発振を達成。
ü BL毎にバンチbyバンチでビームエネルギーを変えるマルチエネルギー運転にも成功。
ü BL2を使ったユーザー実験（光電子分光）を実施。
ü しかしBL2のレーザーパルス出力は300 μJ@6.8 keVとBL3の約半分。

Beam energy 8.15 GeV

101

0510Undulator number15

現状の問題点
ピーク電流が3 kA以上になると、BL2へのdogleg電子ビーム輸送部におけるCSR効果が顕著となり、安定したレーザー発振が得られない。

Doglegビーム輸送部
Kicker400
DC septum 5200

キッカー電源に対する安定度の要求を緩和するため、偏向角3°を不均等にキッカー（0.5°）とDCセプタム（2.5°）に配分。

To BL3 IDs

From linac

Inverse bend
3.7 mradSteering

Q-mag

Screen5m
6tou
Inversed bends to cancel R56bA

BPM
84 mm offset

DC bend

To BL2 IDs
8529

1746 1590 4305

4185

4185

k1610 mm offset

Beta function (m)C-band accelerators(FODO)

Undulators(FODO)

Dogleg to BL2 (65 m)

1.0

C band accelerator

150

Bend (k: kicker, s: septum)

0.5

Quadrupole
100

Undulator

Horizontal dispersion

0.0

Vertical beta
50
-0.5
Horizontal beta
0360

380

400

420

440

z (m) from gun cathode

460

480

Horizontal dispersion (m)• Dogleg部におけるバンチ長変化を抑えるため、R56（約4 mm）を2台の逆ベンドで平均的に補正。
• OpNcsはachromaNcかつisochronousになっているが、非対称。
• CSRによる横方向運動量変化のcancellaNonについては考慮していない。

200

1.5s

Dogleg部のCSR効果
Horizontal Ver?cal(pm-rad) (pm-rad)

BL2 high current（10 kA）
BL2 low current（1 kA）
BL3 high current（10 kA）
BL3 low current（1 kA）

16.3

0.74

2.7

0.64

1.4

0.27

0.83

0.24

BL2アンジュレータへの入射ビーム軌道のふらつき
SACLA BL3のゲイン長から推定されるスライスエミッタンスは30-40 pm-rad程度。

Dogleg部におけるCSR効果
電子バンチが偏向電磁石通過時に発生するCSRが電子バンチに与える影響
1. CSR効果の縦方向成分によるコヒーレントな電子バンチ内のエネルギー変化
2. 偏向電磁石内で発生するエネルギー変化に対応したバンチ内横方向の運動量変化（キック）
3. CSR効果の横方向成分によるバンチ内の横方向の運動量変化
投影エミッタンスやエネルギースプレッドが増加•

1.については真空ダクトの境界条件（カットオフ周波数）を利用して抑えることが考えられるが、SACLAのバンチ長20〜30 fs（6〜9 μm）に対して現実的ではない。よって1.のエネルギー変化については許容する。

•2.と3.については、複数の偏向電磁石間のベータトロン振動位相差をうまく合わせればキャンセルすることができる。但し電子バンチの形状が変わらないことが前提。

Dogleg部におけるCSR効果
電子バンチが偏向電磁石通過時に発生するCSRが電子バンチに与える影響
1. CSR効果の縦方向成分によるコヒーレントな電子バンチ内のエネルギー変化
2. 偏向電磁石内で発生するエネルギー変化に対応したバンチ内横方向の運動量変化（キック）
3. CSR効果の横方向成分によるバンチ内の横方向の運動量変化-58x10

初期ビームエネルギー

67970x' (rad)Beam energy (MeV)

797579657960

4207955-2-15-40x10-200Time (sec)20

電子バンチ内のエネルギー変化

40-15-40x10-200Time (sec)20

電子バンチ内の水平運動量変化

10 kA-8 GeVの電子バンチ（ガウス分布）が現状のdogleg部を通過した時のCSRの影響（Elegant計算結果）

40横方向のCSR効果のキャンセル
2台の偏向電磁石から成るdoglegの場合、CSR効果の横方向成分によるキックは、2台の偏向電磁石間の位相差を2nπにすればキャンセルできる。
• しかしCSRによるバンチ内エネルギー変化に伴うキックをキャンセルするには、最低4台の偏向電磁石が必要。
•位相差2nπ

偏向電磁石2台で構成するdogleg

Bend +φ
CSR効果の横方向成分によるキックΔθ
CSRによるエネルギー変化
それに伴うキック

ΔEΔθ

Bend -φΔθ-Δθ=0
ΔE+ΔE=2ΔE
Δθ-2Δθ-Δθ=-2Δθ

1台目bendのキック
1台目bendのエネルギー変化による
2台目ベンドのキック量の変化分

2台目bendのキック

横方向のCSR効果のキャンセル
2台の偏向電磁石から成るdoglegの場合、CSR効果の横方向成分によるキックは、2台の偏向電磁石間の位相差を2nπにすればキャンセルできる。
• しかしCSRによるバンチ内エネルギー変化に伴うキックをキャンセルするには、最低4台の偏向電磁石が必要。
•偏向電磁石4台で構成するdogleg

CSR効果の横方向成分によるキック
CSRによるエネルギー変化
それに伴うキック

位相差(2n+1)π

位相差(2n+1)π

位相差(2n+1)πBend +φΔθ

Bend +φ-Δθ+Δθ=0

Bend -φ-Δθ

ΔEΔθ

ΔE+ΔE=2ΔE-Δθ+2Δθ+Δθ
=2Δθ

2ΔE+ΔE=3ΔE 3ΔE+ΔE=4ΔE-2Δθ-4Δθ-Δθ 7Δθ-6Δθ-Δθ
=-7Δθ
=0

Bend -φΔθ-Δθ=0

4台の偏向電磁石間で縦方向のバンチ形状が変化しないことが前提

偏向電磁石4台でdoglegを構成• 現状のdoglegラティス

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2π2016年度冬に改造予定• 4ベンドdoglegラティス
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キッカーの偏向角が約3倍になるためパルス電源安定性への負担が大改造後のDoglegビーム輸送部
CB Acc.

ビーム光学系の対称性を回復し、R56は逆ベンドではなく偏向電磁石間のQ-magで補正。

Steering

Q-mag

ScreenBPM

1.5°
3°
5000
5000

四極電磁石のオフセンターにビームを通すことで電子バンチ長を補正（R56を制御）

Stripline BPM
5000
5000

ID50Beta̲x400.1

Beta (m)Beta̲yDispersion̲x300.020-0.1

100-0.20102030z (m)405060

Dispersion (m)• 偏向電磁石部の水平ベータ関数をなるべく小さくすることで、CSR効果によるキックの方向に位相空間上のビーム分布を伸ばし、エミッタンスの増加を抑える。

0.2

Horizontal phase advance πDogleg部における投影エミッタンスの増加
初期条件: ピーク電流10 kA、バンチ長20 fs、規格化エミッタンス0.8 mm-mrad
ビームエネルギー8 GeV

現状のdoglegラティス
9.4 mm-mrad

4ベンドdoglegラティス
0.82 mm-mrad

Dogleg通過後のt-x’位相空間上の電子バンチ分布

キッカー電磁石用パルス電源開発• 現状のキッカー電磁石用電源はFETユニット8並列で構成するPWM制御の非共鳴型のパルス電源
最大出力電流、電圧最大繰り返し
出力波形
出力安定度

320 A-150 V
60 Hz
台形波
10 ppm (p-p)• 新規キッカー電磁石用電源は、SiCパワーモジュールを用いたPWM制御の電源
最大出力電流、電圧目標出力安定度

300 A-1000 V
10 ppm (p-p)

まとめ• SACLAでは、ビームエネルギーの異なる30 Hzの電子バンチを2本のビームライン（BL2, BL3）へ振り分け、同時レーザー発振を達成。
• しかしながらBL2へのdoglegビーム輸送路におけるCSR効果が無視できず、ピーク電流を2 kA以下に抑えて運転。
• マルチビームライン運転においてもSACLAのフル出力が出せるよう、2016年度冬にdogleg部ビーム光学系の改造を行う。
• マルチビームライン運転のみならず、将来のSPring-8蓄積リングへのビーム入射まで考えると、電子ビームの目的地に応じてバンチ毎にエネルギーやバンチ長などのパラメータを変える必要がある。
SACLA線型加速器の中に、ビーム目的地毎にパラメータ制御を行う複数の仮想加速器を構築するような制御系の開発を進める。