WEOM15

コンパクトERLにおけるビーム電流約1 mAの運転
坂中章悟A), 芳賀開一A), 羽島良一B), 原田健太郎A), 本田洋介A), 河田洋A), 小林幸則A),
許斐太郎A), 松村宏A), 宮島司A), 中村典雄A), 西森信行C), 野上隆史A), 帯名崇A), 下ヶ橋秀典A),
阪井寛志A), 島田美帆A), 田中オリガA), 高井良太A), 梅森健成A), 山本将博A)A) 高エネルギー加速器研究機構(KEK), B) 量子科学技術研究開発機構（QST）, C) 東北大学

The compact ERL

第13回日本加速器学会年会、2016年8月10日、幕張メッセ

内容

1. コンパクトERLの概要

2. ビーム電流増強の準備
3. 大電流運転時のビーム調整

4. cERL大電流運転
5. まとめ2Section 1: コンパクトERL(cERL) の概要

19.9 MeV

目的：ERL（エネルギー回収リニアック）
放射光源のために必要な加速器技術の実証を行う。

2.9 MeV

フォトカソード
DC電子銃

必要な機能：
１）低エミッタンス（< 1 mmmrad)かつ大電流（平均10 mA以上）のビームを生成・加速・周回・減速・ダンプ する
２）非常に低いビーム損失率：< 0.01% （周回部において）目標値

実績（2016年3月末）

ビームエネルギー E

35 MeV

20 MeV

入射器エネルギー Einj

5 MeV

2.9 - 6 MeV

ビーム電流

10 mA

0.95 mA

0.1 (@7.7 pC/bunch)
1 (@77 pC/bunch)

0.3 (@0.5pC/bunch)12 (@7.7pC/bunch)

1.3 GHz

1.3 GHz (usual)162.5 MHz (for LCS)

バンチ長（rms）

1-3 ps : 通常~ 100 fs : バンチ圧縮

13 ps: usual～150 fs (?): バンチ圧
縮主加速空洞での加速勾配 Eacc

15 MV/m

8.2 MV/m

電子銃電圧

500 kV390 - 450 kV

規格化エミッタンス[mmmrad]バンチ繰り返し周波数

中核となる高度な技術
フォトカソードDC電子銃

超伝導加速空洞電子のバンチを、高繰り返し（1.3 GHz）で連続的（CW）に生成できる

高電界で連続的（CW）にビームを加速できる

低エミッタンス ( < 1 mmmrad) 大平均電流 （  10 mA）
入射器空洞： Eacc  7 MV/m
 主加速空洞： Eacc  8.5 MV/m
SF6タンク
多段絶縁セラミック
カソード準備系

入射器用超伝導空洞

電子ビーム
レーザー

カソード電極主加速器用超伝導空洞

cERLのビーム光学系
主ビームダンプ

dipolesquadrupoles

主加速器 (ML)
モジュール

北直線部
ダンプシケイン
第1アーク

南直線部
空間電荷効果を考慮（GPTコード）

入射器空洞
モジュール

電子銃

入射シケイン

第2アーク入射器診断ライン
LCS衝突点周長補正シケイン

X線ビームライン

空間電荷効果を考慮せず（elegantコード）
第1アーク

南直線部

LCS

第2アーク

ダンプラインML

電子銃 ～ 主空洞出口

主空洞出口 ～ ビームダンプ（LCS optics）

5コンパクトERL

2013年12月： ビーム周回を開始
フォトカソードDC電子銃

入射器診断ライン
主加速空洞（超伝導）周回部
入射器空洞（超伝導）62015年度の運転と改造
ビーム電流100 mAまでの運転、性能向上のマシンスタディ

ビーム電流増強の準備、放射線変更申請
最大電流： 0.1 mA

ビーム電流1 mAまでの運転、性能向上のマシンスタディ

1 mA

冷凍機運転時間cERL運転時間

7週間

5週間

2015年度・月

7Section 2: ビーム電流増強の準備（１）① 電子銃へのレーザー導入鏡の交換（帯電対策）② 電子銃ファラデーカップのセラミックへの覆い（空洞からの暗電流による帯電対策）

金属製
覆い

セラミック

アルミ蒸着ガラス鏡

金属鏡③ ビームロスモニターの増設④ ダンプラインでのビームのラスタリング
ビームダンプ高速ロスモニター

ラスタリング用電磁石

ビーム電流増強の準備 （２）⑤ 追加遮蔽の設置⑥ 放射線変更申請

最大ビーム電流： 0.1 mA → 1 mA
最大エネルギー： 26 MeV

合流部コリメータへの遮蔽

2015年秋
変更申請
2016年1月19日 承認
2016年2月15日 調整運転開始
2016年3月8日 施設検査 （3/10付け合格）

変更申請書はKEKレポート（松村宏 他、KEK Internal 2015-6）で公開

空調機貫通孔への遮蔽
9Section 3: 大電流運転時のビーム調整（１）
バーストビームで調整

CW運転

ビームの輸送条件とビームロス低減
1.3 GHz または162.5 MHz

1.3 GHz または162.5 MHz0.5  1 ms

① 入射部における調整
Injector module

GPTシミュレーションで見つけた良いビーム輸送条件に合わせる
 できる限り機器の中心にビームを通す ソレノイド中にある補正電磁石を弱くした

Photocathode DC gun入射器空洞にビームを少し角度を付けて入射する（ビームテールを落としやすくする）
10

大電流運転時のビーム調整（２）宮島司 他、ポスター TUP064② オプティクスマッチングと軌道補正マッチング前
Hor.

Vertical

マッチング後Q1 Q2 Q3 Q4

Q5

Hor.

VerticalBeam
Optics補正用QM

スクリーン
モニター

11

Q-scan用QM
上記の点でQ-scan（waist scan)測定を実施
 測定された応答を設計値に近づけるよう、上流のQMを調整
 軌道は、beam-based alignmentで調整した基準軌道に近づけるよう補正する。
 分散関数の補正も行った


オプティクス調整の結果、ビーム損失が減った
11

大電流運転時のビーム調整（３）③ ビームコリメータの調整
ビームロスが小さくなるようにコリメータを挿入し、ビームハロー（テール）を落とす
コリメータ

第１アークのコリメータ（COL4）を併用(E = 19.9 MeV)

低エネルギー部のコリメータ（COL1, 2）を主に使用(E = 2.9 MeV)

COL1～COL5：コリメータ

高速ロスモニター
12大電流運転時のビーム調整（３）③ ビームコリメータの調整
コリメータ調整の例

バーストビーム（ピーク電流300mA）をダンプまで輸送中

コリメータCOL2の4本のロッドの位置

この方法で、コリメータ
COL1, COL2, (COL4)を調整

ロスモニターの信号
ビームダンプの電流

典型的なコリメータ設定：
中心から先端まで 2 ～ 4 mm

Section 4: cERL大電流運転
平均ビーム電流900 mAの周回に成功（1.3 GHz）

バンチ繰り返し： 1.3 GHz
バンチ電荷:
0.7 pC
コリメータ COL1, 2 を使用

14

平均ビーム電流900 mA（162.5 MHz）の周回にも成功

バンチ繰り返し：162.5 MHz
バンチ電荷: 5.5 pC
コリメータ COL1, 2, 4 を使用

15大電流運転中の放射線
コンクリート1 m

天井の壁厚が最も薄い
天井上での線量率はビーム損失の分布を反映
コンクリート1.5 m
コンパクトERL加速器室

加速器室平面図 （天井を透明にした図）
16

加速器室天井上での放射線量率（900mA, 162.5 MHz）
コンクリート1 m

管理区域としては十分低い線量率
ビーム電流10 mAも可能と考えられる
コリメータCOL4の影響

単位：mSv/h

主空洞暗電流の影響

コンクリート1.5 m

バックグラウンド差し引き後のデータ、NaI シンチレーション・サーベイメータ使用

17測定された線量率からビーム損失率を推定（900mA, 162.5 MHz）
周回部（E=19.9 MeV）でのビーム損失率の推定

天井上で測定された線量率と放射線シミュレーションとを比較

コリメータ COL4 の場所で約 910-5
それ以外の場所で、１箇所あたり  210-6

910-5

110-6

コリメータ以外の場所で、非常に低いビーム損失率（< 110-5）を達成
18大電流運転時のビームダクト真空度••

ビームダンプと合流部（コリメータCOL1, 2近く）では、電子衝撃によるガス放出がある
その他の場所では、圧力はビーム電流にほぼ依らない“Injector“Dump” “Merger” mirror chamber”
COL2

COL1

COL4

“First arc”
コリメータ COL1, COL2, COL4
を使用した

19

主加速空洞におけるエネルギー回収
主空洞ML1, ML2では、加速（１回目通過）と減速（2回目通過）でエネルギーを回収(ER)（空洞入力電力）（空洞反射電力）=（空洞内で消費される電力）

ML2 ML1
E=2.9MeV
E=19.9 MeV

E=2.9 MeV

ML2
* 2台の9セル超伝導空洞を使用

ビーム電流なしの時、オフセットをゼロと定義した

ML1+ML2

測定結果より：エネルギー回収なしで加速すると、空洞当たり約8.6 kWのビーム負荷があるはず（@1mA）

エネルギー回収により、ビーム負荷は格段に小さい（～ 10 W）



個別の空洞（ML1, ML2）では、1回目と2回目の通過で電子の速度が異なるため、エネルギー回収率が100%から±0.35% ずれた。

ML1

条件：
••

空洞電圧： 8.56 MV (ML1), 8.57 MV (ML2)On-crest 加速

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フォトカソードの寿命は長い
NEA表面GaAsフォトカソードを使用

大電流運転中（2016/3/29）のカソード量子効率（QE）の変化•••

電子銃の到達圧力は約1×10-9 Pa。
保管中のカソード寿命（dark lifetime）は1000時間程度1)運転中の operational lifetime も十分長い。
1) 2015年には約6000時間

カソード使用前後のQEマップ (Quantum Efficiency)

引き出し電荷量
QEは運転開始直後に急速に下がるが、その後は上昇する傾向がある。

運転に使用後カソード（2個目）設置（2016/ 3/31）：
直後（2016/3/15）
QE ～ 2.1%
QE ～ 2.6%
約380時間経過
引き出し電荷量 25.6 C
山本将博他、ポスター発表 MOP043

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平均ビーム電流の進捗

2016年1月
申請承認

10 mA

1 mA

0.1 mA

現在

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Section 5: まとめ•

cERLでビーム電流0.9 mAの周回に成功–

バンチ繰り返し162.5 MHz、5.5 pC/bunch•

加速器の調整とビームコリメータの使用により、非常に低いビーム損失率（コリメータ以外の周回部で10-5以下）を達成•

バンチ繰り返しを1.3 GHzに上げることで、10 mAへの増強が可能–

放射線変更申請、遮蔽の一部増強などが必要•

主加速空洞におけるエネルギー回収率は、ほぼ100%•

フォトカソードの長寿命を達成（引き出し電荷 ～25 C）•

レーザー導入鏡の交換、電磁石の標準化の徹底などにより、運転条件の再現性と安定性が格段に向上•

大電流運転以外の研究成果 → ポスター発表
1) ビーム調整による低エミッタンス化
2) サブピコ秒までのバンチ圧縮に成功
3) 電子銃の改造による500 kV達成...

（宮島司他、TUP064）（本田洋介他、MOP077； 島田美帆他、TUP062）（西森信行他、MOP048）

cERLでは超伝導加速器に関する最先端の研究成果が得られている。
これらの技術は、ERL-FEL光源や高繰り返しX-FELなどへの応用が期待される。
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