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

PASJ2019 THOI09

3GeV 次世代放射光施設の加速器システム
ACCELERATOR SYSTEM FOR HIGHLY BRILLIANT 3GeV LIGHT SOURCEPROJECT西森信行#, A), 小林創 A), 吉川博 A), 渡部貴宏 B,A,C), 高野史郎 B,A,C), 大石真也 B,A,C), 深見健司 B,A,C), 安積隆夫 B,A,C),
高橋直 B,A,C), 近藤力 B,A,C), 大島隆 B,A,C), 糸賀俊郎 B,A,C), 佐治超爾 B,A,C), 正木満博 B,A), 小路正純 B,A),
早乙女光一 B,C), 木村洋昭 B,C), 馬込保 B,C), 杉本崇 B,C), 安積則義 B,C), 細田直康 B,C), 田村和宏 B), 藤田貴弘 B),出羽英紀 B), 谷内努 B), 青木毅 B), 高雄勝 B), 張超 B), 柳田謙一 B), 櫻井辰幸 B), 谷内友希子 B), 松原伸一 B),川瀬守弘 B), 稲垣隆宏 C), 原徹 C), 田中隆次 C), 前坂比呂和 C), 福井達 C), 岩井瑛人 C), 松井佐久夫 C),惠郷博文 D,A), 田中均 C,A)#, A)
Nobuyuki Nishimori , Hajime Kobayashi A), Hiroshi Yoshikawa A), Takahiro WatanabeB,A,C), Shiro Takano B,A,C),
Masaya Oishi B,A,C), Kenji FukamiB,A,C), Takao AsakaB,A,C), Sunao TakahashiB,A,C), Chikara KondoB,A,C),
Takashi OhshimaB,A,C), Toshiro ItogaB,A,C), Choji SajiB,A,C), Mitsuhiro MasakiB,A), Masazumi ShojiB,A),
Kouichi SoutomeB,C), Hiroaki KimuraB,C), Tamotsu MagomeB,C), Takashi SugimotoB,C), Noriyoshi AzumiB,C),
Naoyasu HosodaB,C), Kazuhiro TamuraB), Takahiro FujitaB), Hideki DewaB), Tsutomu TaniuchiB), Tsuyoshi AokiB),
Masaru TakaoB), Chao ZhangB), Kenichi YanagidaB), Tatsuyuki SakuraiB), Yukiko TaniuchiB), Shinichi MatsubaraB),
Morihiro KawaseB), Takahiro InagakiC), Toru HaraC), Takashi TanakaC), Hirokazu MaesakaC), Toru FukuiC), Eito IwaiC),
Sakuo MatsuiC), Hiroyasu Ego D,A), Hitoshi Tanaka C,A)A)
National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology (QST)
B)
Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI)C)RIKEN SPring-8 Center
D)
KEKAbstract
A compact 3GeV light source project which will deliver the highly brilliant soft X-rays is launched in Japan. The
storage ring is designed based on a 4-bend achromat lattice to achieve the low emittance for a small circumference ofabout 350 m. In total, 26 beamlines are available including 12 multi-pole wiggler beamlines. The natural horizontal
emittance is expected to be around 1.1 nm.rad, and the maximum brilliance will exceed 1021
photons/sec/mm2/mrad2/0.1% b.w. for the 1 - 3 keV region with a stored current of 400 mA. The accelerator
components are designed based on the R&D studies for the SPring-8 upgrade project. A full energy injector linac
equipped with a thermionic gun and C-band accelerating structures developed for SACLA is employed for the injectionof the low emittance beam to the ring. A future upgrade for the injector linac as an SXFEL driver is also envisioned.

1.

はじめに3GeV 次世代放射光施設を仙台に建設する計画が進められている[1]。この施設では軟Ｘ線からテンダーX 線領域で高コヒーレンス・高輝度光を提供し、かつ EUV から硬 X 線まで広い波長領域をカバーし、硬 X 線領域を得意とする SPring-8 と相補的な役割を果たす。目標とする軟 X 線領域の輝度>1021 photons/sec/mm2/mrad2/0.1%
b.w.であり、1 keV 付近において coherent ratio R=10%程度を目指す。ここで、
𝑅%100,𝜀 , は電子ビームの水平、垂直エミッタンスで、𝜀流 400 mA、エミッタンス 1 nm.rad を 3GeV 次世代放射光施設の目標とする。Top-up 運転を行うが、信頼性の高い運転を行うため、ビーム寿命は 5 時間以上を目指す。
加速器システムは SPring-8/SACLA で培われた加速器デザイン・技術に基づく。その理由は、SPring-8 でTop-up 運転により蓄積ビーム電流変動 0.06%以下を実現し、加速器が故障なく連続的に平均 200 時間の運転を 実 現 で き る 信 頼 性 を 有 し て い る こ と 、 XFEL 施 設
SACLA で、高加速電界を有する C バンド加速管など最先 端 の 技 術 実 績 が あ る た め で あ る 。 3GeV 光 源 はSPring-8/SACLA の知識・技術を利用すると共に、軟 X線 FEL への拡張性、限られたスタッフによる高信頼性運転、タイトなスケジュールと限られた予算の中で最先端性能の実現を目指す。

は光の回折限界エミッタンスである。長さ L のアンジュ
レータ内でベータ関数は光ビームに整合を仮定する[2]。
2.
輝度と coherent ratio の条件を満足するため、ビーム電___________________________________________# nishimori.nobuyuki@qst.go.jp

加速器システム

3GeV 加速器システムは Fig.1 に示すように周長 350m のコンパクトな蓄積リングと長さ 110 m の線型加速器- 153 -

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で構成される。最新の加速器設計である MBA(MultiBend Achromat)ラティスを取り入れて低エミッタンス化し、
軟 X 線高輝度光の提供を目指す。16 セル、4BA で構成される蓄積リングは各セルが 5.4 m のアンジュレー
ター用長直線部と、1.6 m の多極ウィグラー用の短直線部を持つ。RF 加速空胴を設置する長直線部と線型加速器からのビームを蓄積リングに入射する入射部用の直線部を除いた 14 本の長直線部と、電子ビームモニタ用の4 本を除く 12 本の短直線部が放射光ビームラインに用いられる。合わせて 26 本のビームラインを提供できる。
3GeV 蓄積リングの主要パラメータは Table 1 に示されている。
設計したラティスにおいて自然水平エミッタンスは 1.1
nm.rad で 1~3 keV の X 線 で 最 大 輝 度 は 1021
photons/sec/mm2/mrad2/0.1% b.w を越える。真空容器、磁石、ビームモニタなどの加速器コンポーネントはSPring-8 II 計画のために開発されたものを利用する[37]。シンクロトロン加速器は用いずに線型加速器のみで3 GeV まで加速する。熱電子銃を採用し、SACLA と同じ C バンド加速器を用いて蓄積リングの入射器として充分な性能を持つ低エミッタンスビームを生成する。将来の軟 X 線 FEL への拡張が可能なように設計されている。

3.

加速器要素開発

3.13GeV 蓄積リングテストハーフセル

Figure 2 に示す 3GeV 蓄積リング用テストハーフセル
は個々の磁石が設計磁場性能を満足することの確認と、磁石列の精密アライメント方法を確立するために開発した。また、タイトなスケジュールの中で建設地に磁石列を精密にアライメントできるかどうかの確認作業も行う。ハーフセルは 2 台の機能複合型偏向電磁石、5 台の四極電磁石、5 台の六極電磁石で構成されている。

Table 1: Main Parameters of 3GeV Storage RingParameter

Value

Beam energy [GeV]

2.998

Circumference [m]348.8432

Number of cells

16Long straight section [m]5.44×16

Short straight section [m]1.6427×16

Betatron tune (x/y)

28.17/9.23

Natural chromaticity (x/y)-60.50/ -40.99

Natural horizontal emittance [nm.rad]

1.14

Momentum compaction factor

0.000433

Natural energy spread [%]0.0843

Lattice functions at LSS

13.0/3.0/0.0(𝛽 /𝛽 /𝜂[m]Lattice functions at SSS(𝛽 /𝛽 /𝜂4.08/2.962/0.052[m]

Damping partition number (Jx/Js)

1.389/1.611

Damping time

8.091/11.238/6.976(𝜏 /𝜏 /𝜏[ms]

Radiation loss in bends [MeV/turn]

0.621

RF frequency [MHz]508.75905

Harmonic number592

Figure 1: Accelerator complex.
機能複合型偏向電磁石は長さ 1.091m で、デフォー
カシング四極成分を持つ。この磁石を用いることで、水平エミッタンスを低減できることに加え、デフォーカシング四極磁石の数を減らすことが出来る。双極磁場と四極磁場勾配の設計値は、それぞれ 0.8688 T と－7.06 T/m である。中心でのギャップ長は 28 mm である。ビーム軌道と水平軸に沿った磁場は、工場で 3 次元ホールプローブ測定を行った。測定した双極磁場と四極磁場の比は0.1%の精度で計算と一致した。2 台の機能複合型偏向磁石は電磁石であるが、永久磁石タイプも 2018 年度に試作した。SPring-8 II 計画で培われた技術を利用している[8]。2019 年度中に、どちらのタイプの磁石を用いるか決定する。
四極・六極電磁石は積層鋼板で出来ている。ボア径はそれぞれ 34 mm と 40 mm であり、最大の磁場勾配は50 T/m と 1200 T/m2 である。磁場の均一度が 10-3 以下となる有効磁場領域は±8 mm である。ホール素子を用いて測定された磁場分布は設計値とよく一致する。四極・六極電磁石の積分多極磁場成分はストレッチドワイヤー法を用いて精密測定中である[9]。
各磁石の機械中心を 3 次元計測器で測定後、磁石上部に設置したリフレクターホルダーとの相対距離を測定する。この測定データをベースに、レーザートラッカー測定から磁石列をアライメントした。次に、数m の精度でアライメントできる、振動ワイヤ法を用いて、四極・六極電磁石の磁場中心をアライメントした。各磁石の磁場中心と機械中心の差は±50 m であることがわかった。

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せて 920 kW の電力が必要となる。
本空胴において技術的に困難な点は、フェライト
MBA ラティスを用いる低エミッタンス蓄積リングは、偏HOM吸収体を接合して空胴表面に設けたスリットに設
向磁石内での分散関数、水平ベータ関数を小さくするた置することであった。これを解決し、TM020
空胴の高出め、高磁場勾配を持つ多極電磁石が必要となる。ボア径力テストが現在行われている[11]。の小さい電磁石が要求され、真空容器の口径も狭くなり、電磁石や放射光アブソーバを高いパッキングファクター 3.4 線型加速器で配置する必要がある。この点が SPring-8 などの第 3線型加速器は、コンパクト、低コスト、高堅牢性、軟 X
世代放射光源と大きく異なる点で、SPring-8 II 計画のた線 FEL を 駆 動 で き る よ う に デ ザ イ ン し た [12] 。
めに進められていた真空容器のデザインと R&D を本SACLA/SPring-8 で開発された C バンド加速技術を用
3GeV 光源では採用する[4]。狭小口径に対応するため、いて 3GeV 加速を実現する[13-15]。20 ユニットの C バ
銅メッキを施した薄肉のステンレス製の真空容器を採用
ンド加速システムが線型加速器トンネルにインストールすする。各放射光アブソーバの近傍に NEG ポンプとイオる。1 ユニットは 2 台の C バンド 2m 加速管で構成されてンポンプを配置し、アブソーバから生成する脱ガスを排いる。約 40 MW のクライストロン出力はパルス圧縮器気する。
（SLED）で 4 倍程度に圧縮後、出力を 2 つに分配し、ピーク電力 70 MW 程度の出力を各加速管に供給し、40MV/m 以上の加速勾配を実現する。C バンド加速管本体及び SLED については、コストの効率化や堅牢性の観点からオリジナルデザインに改造を加えた。また、クライストロン故障時の交換作業を考慮して導波管の真空窓の新設を検討している[16]。これら改造品の高出力テストは 2019 年度中に終える予定である。low-level RF 制御系については、MicroTCA.4 技術を用いたコンパクトなシステムで RF の位相と振幅を精密にコントロールする[17]。
電子源としては、グリッド付熱カソードを用いた 50 kV
Figure 2: A test half-cell of 3GeV storage ring.
電子銃の直後に 238 MHz の加速空胴を配置した 500kV 電子源システムを開発中である[18-20]。SACLA の3.3 高周波加速システム
CeB6
熱カソード 500 kV パルス電子銃[21]よりも、コンパ本 3GeV 加速器を電子が 1 周する間にロスするエネクトで堅牢性に優れるという特徴を持つ。3GeV
蓄積リン
ルギーは 1.1 MeV である。その内訳は 0.62MeV が偏向磁石内でのロスで、残りが挿入光源のロスである。400 グの入射器としては、規格化エミッタンス 1 mm.mrad はmA の電子ビームを加速すると 440 kW のエネルギーロ 必要ないので、保守性、安定性を優先して設計した。本スが発生する。また、10 時間以上の電子ビーム寿命を 電子源の下流には 476 MHz のバンチャー空胴、2 m の達成するモーメンタムアクセプタンスを確保するため、3.6 S バンド加速管を設置し、0.4 nC でバンチ幅 5 psMV 加速電圧を印加可能な高周波加速システムが必要 FWHM の電子バンチを C バンド加速システムに供給すとなる。その一方で、放射光ビームラインの数を増やすた る。本電子源の性能確認のため、テストスタンドを構築し、め、高周波加速システムの設置スペースは 5.4 m の長 0.3 nC で規格化エミッタンス 10 mm.mrad 以下という目直線部 1 本に限定される。そこで、新型のコンパクト 標性能を満たすことを確認済みである[18]。
3GeV 線型加速器システムの入射部は PARMELA をTM020 空胴が開発された[10]。この新しい空胴は、バンチ結合型ビーム不安定性をもたらす高次高調波(HOM: 用いて SACLA と同様の手法で設計した[12]。入射部以Higher Order Mode)成分を、類例のない方法で抑制する。 降の C バンド加速部分は SAD を用いて計算した。将来新型空胴では、電磁波吸収体（フェライトなど）を TM020 の軟 X 線 FEL では、低エミッタンスビームを生成するたモードの節に設置し、TM020 モード以外の HOM を減 め、電子源システムについては再設計が必要となる。
3.2真空システム衰させる。これにより、従来空胴外部のビームパイプに設置していた HOM 吸収体を取り除くことができ、ビーム進行方向の長さの短い空胴を実現できる。本 TM020 空胴
4 台を長直線部 1 本に設置する。TM020 空胴のシャント
インピーダンスは 6.8 Mであり、各空胴に 120 kW の電力を供給すれば、各空胴で 0.9 MV の加速電圧になり、目標の全加速電圧 3.6 MV を達成できる。RF 電力としては、3.6 MV の加速電圧に必要な 480 kW の電力と、放射光生成によるビームエネルギーロスを補償するのに必要な蓄積電流 400 mA 運転時の電力 440 kW を合わ

3.5

蓄積リングへの入射システム

線型加速器から蓄積リングへの入射部設計は、狭いダイナミックアパーチャを持つ次世代放射光源にとって重 要 課 題 の 一 つ で あ る 。 SPring-8 で は 、 ”In-vacuumtransparent off-axis beam injection system”を開発して本課題に取り組んでおり、3GeV 光源にも採用される[22]。
従来型の”off-axis”入射を採用し、非線形キッカーや”on-axis”入射等の最新技術は用いない方針である。
狭いダイナミックアパーチャに対応するには、線型加速器からのビーム入射時の、入射ビームと蓄積ビームと- 155 -Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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PASJ2019 THOI09の距離を狭め、入射ビームのベータトロン振幅を抑制することが重要である。そのため、真空封止（In-vacuum）パルスセプタム電磁石を開発している[22]。蓄積・入射ビーム間に真空容器壁が不要で、セプタム壁のみとなり、入射・蓄積ビーム間距離を最小化する設計が可能である。
また、入射ビームが真空窓を通過する際にエミッタンスが劣化する問題も、窓不要のため解決できる。既にプロトタ
イプ機の設計・製作を終え、所定の真空度 10-7 Pa 以下を達成した。現在は動作試験・磁場測定を行っている。
蓄積ビーム振動を抑制した透明（transparent）入射も、放射光ユーザーに信頼性の高い安定ビームを供給するために重要な課題である。ビーム振動をビームサイズの1/10 程度の 10 m 以下に抑制することを目標に、単一電源並列駆動ツインキッカーシステムを開発している[23]。ツイン（2 台の）キッカーで蓄積ビーム軌道を入射軌道に近づけ、もう 1 ペアのツインキッカーで元の軌道に戻し、ビーム入射用のバンプ軌道を生成する。2 台のキッカーを同じパルス電源で並列駆動することにより、電源ジッターの影響を減らし、閉じたバンプ軌道を実現させて電子ビーム軌道に変動を与えないというのが、基本的な考え方である。電源の設計・製作を終え、電源の性能評価とキッカーの詳細設計を実施中である。

4.

まとめ

[12] 安積隆夫 他, “次世代放射光施設のための 3GeV 線型加速器の基本設計”, 第 16 回日本加速器学会年会.
[13] T. Inagaki et al., Phys. Rev. ST Accel. Beams 17, 080702(2014).
[14] T. Sakurai et al., Phys. Rev. Accel. Beams 20, 042003(2017).
[15] T. Asaka et al., Phys. Rev. Accel. Beams 20, 080702(2017).
[16] 稲垣隆宏 他, “次世代放射光リングの入射器として使用する C バンド加速器の機器設計と開発状況”, 第 16 回日
本加速器学会年会.
[17] 岩井瑛人 他, “次世代放射光施設入射器におけるMTCA.4 規格を用いたデジタル LLRF システムの評価”,
第 16 回日本加速器学会年会.
[18] 安積隆夫 他, “グリッド付き熱カソードを用いた低エミッタンス電子銃システムの開発”, 第 16 回日本加速器学会年会.
[19] 比嘉究作 他, “次世代放射光リング入射器加速空胴の製造”, 第 16 回日本加速器学会年会.
[20] 福岡翔太 他, “238MHz42kW パルス半導体高周波増幅器の開発”, 第 16 回日本加速器学会年会.
[21] K. Togawa et al., Phys. Rev. ST Accel. Beams 10, 020703(2007).
[22] S. Takano et al., “Renovation of off-axis beam injection
scheme for next-generation photon sources”, Proc. ofIPAC2019, 2019, pp. 2318-2321.
[23] T. Inagaki et al., “Development of a solid-state pulse
generator driving kicker magnets for a novel injection
system of a low emittance storage ring”, Proc. of IPAC2018,2018, pp. 1804-1807.

3GeV 次世代放射光施設加速器システムは SPring8/SACLA の知見・技術と SPring-8-II 計画の R&D の成果を利用し、設計開発が進められている。いくつかの加速器コンポーネントについては、2019 年度中の終了を目指して開発が継続中である。

参考文献[1] 内海渉, “次世代放射光施設計画の推進状況”, 第 16 回
日本加速器学会年会, 2019 年 7 月 31 日, 京都大学吉田キャンパス.
[2] H. Widemann et al., Particle Accelerator Physics I,Springer, Berlin (1998).
[3] H. Tanaka et al., “SPring-8 Upgrade Project”, in Proc. ofIPAC2016, 2867--2870, Busan, Korea (2016), WEPOW019.
[4] M. Oishi et al., “Design and R&D for the SPring-8 Upgrade
Storage Ring Vacuum System”, in Proc. of IPAC2016,3651--3653, Busan, Korea (2016), THPMY001.
[5] H. Ego et al., “RF system of the SPring-8 Upgrade Project”,in Proc. of IPAC2016, 414--416, Busan, Korea (2016),
MOPMW009.
[6] T. Watanabe et al., “Updates on Hardware Developments
for SPring-8-II”, in Proc. of IPAC2018, 4209--4211,
Vancouver, BC, Canada (2018), THPMF061.
[7] H. Maesaka et al., " Development of Beam Position
Monitor for the SPring-8 Upgrade", in Proc. of IBIC2018,204--207, Shanghai, China (2018), TUOC04.
[8] T. Watanabe et al., Phys. Rev. Accel. Beams 20, 072401(2017).
[9] K. Fukami et al., Rev. Sci. Instrum. 90, 054703 (2019).
[10] 惠郷博文 他, “SPring-8-II 高次モード減衰型高周波加速空胴の開発”, 第 11 回日本加速器学会年会, p.237241 (2014).
[11] 惠郷博文 他, “SPring-8-II 高次モード減衰型高周波加速空胴プロトタイプの大電力試験”, 第 16 回日本加速器学会年会.

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