Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 29 - September 1, 2023, Funabashi

PASJ2023 THP49

次世代放射光施設 NanoTerasu 線型加速器・電子入射部のビーム性能
BEAM PERFORMANCE OF INJECTOR SYSTEM IN NanoTerasu
安積隆夫#, A), 上島孝太 A), 菅晃一 A), 西森信行 A), 青木駿尭 B)
Takao Asaka #, A), Kota UeshimaA), Koichi KanA), Nobuyuki NishimoriA), Toshitaka AokiB)A)
National Institutes for Quantum Science and Technology (QST)
B)
NAT Co., Ltd.

Abstract

The 3-GeV linear accelerator at NanoTerasu is equipped with a 40-MeV injector system capable of producing lowemittance beam. The injector system consists of a RF electron gun with a gridded thermionic cathode, a bunching system
and a 2 m long S-band accelerating structure to produce a high-quality electron beam with a beam charge of more than
0.3 nC and a normalized emittance of less than 10 mm mrad. The injector system has a continuously variable beamcollimator that enables simple and precise adjustment of the beam charge. In this report, we present the details of theconfiguration of the injector system and the beam performances during the beam commissioning.
低エミッタンス蓄積リングの狭いダイナミックアパー
チャに対して、高効率ビーム入射をおこなうには、入射次世代放射光施設 NanoTerasu[1]の 3 GeV 線型加速 ビームの低エミッタンス化は不可欠である。3 GeV 線型加速器には 2e-9 m rad 以下のエミッタンスが要求され、これ器では、低エミッタンスビームを生成可能な 40 MeV 入射は電子銃システムを含む 40 MeV 入射部出口で 10 mm部を備えている。この入射部は、グリッド付き熱カソードをmrad 以下の規格化エミッタンスに相当する。
使用した高周波電子銃、その後段にはバンチングシステ
低エミッタンスビームを生成するには、光カソードを用ム、初段加速器から構成され、ビーム電荷量が 0.3 nC 以 いた RF 電子銃[4]や SACLA で使用している単結晶カ上で規格化エミッタンスが 10 mm mrad 以下の高品質 ソードを用いた 500 kV 電子銃[5]が候補として挙げられビームを生成する[2]。また、入射部にはビーム電荷量を る。前者は極紫外領域の短パルスレーザシステムを使用簡易かつ精密調整可能な連続可変可能なコリメータを するため、レーザ調整のための専門技術者の常駐が不備えており、蓄積リングの入射要求に応じたビーム電荷 可欠となる。一方、500 kV 電子銃は、安定したビーム生成が可能であるが、高電圧印加のため大規模装置を用量の調整がおこなわれる。
設計段階から高品質ビーム生成の早期実現を目指し 意しなければならない。こうした課題を克服するため、第たビーム調整手法・手順の検討がなされ、これに基づく 3 の低エミッタンス電子銃として、市販のグリッド付きの熱ビームモニタの種類・配置の最適化をおこなってきた。 カソード（EIMAC 社製 Y845）を用いた高周波電子銃をビームコミッショニング期間では、このビーム調整計画に 開発し、本入射部ではこれを採用している[6]。
Figure 1 に 40 MeV 入射部とシケイン部を示す。この沿った機器パラメータの最適化をおこない、開始からわずか 4 日間で所定のビーム性能を達成することができた。 入射部は、低エミッタンス高周波電子銃システム、バンチ
本報告では入射部の構成、機器の調整・最適化手法 ングシステム、初段加速管から構成されている。電子銃の詳細を示すとともに、得られたビーム性能についてシ では、カソード・グリッド間の高速電圧制御により、パルス幅が 300 ps のビームを生成する。このとき、グリッドの電ミュレーション結果との比較をおこなう。
場歪みを最小化する条件（グリッド透明化条件）により、グリッドを通過する電子は余分な横方向キックを回避で2. 40 MeV 入射部きる。その結果、電子銃出口において、均一な電子分布年間 5000 時間以上の利用運転を計画している本施を形成した高品質ビームが生成される。
設において、安定したビーム入射・蓄積は勿論、加速器50 kV のカソ ード・ アノード 間電圧で引き出され た
運転中の機器トラブルを最小限化することが肝要である。 0.5 nC の電子ビーム は、アノード から 20 cm を経てTop-up 運転を前提とした 3 GeV 線型加速器は常時安定 238 MHz 加速空胴で 480 keV まで加速される。その後、した高品質ビームの生成・加速を実現するため、以下に 476 MHz サブハーモニックバンチャー（SHB）と S バンド示す 4 つの指針に基づいた設計・構築がなされた[3]。
加速管で電子集群、そして 40 MeV の加速がおこなわれ・高稼働率を実現するシステム設計（高安定ビーム供給） る。電子銃から生成したビームが S バンド加速管に到達する間、離散的に配置した 6 台の磁気レンズによってブ・高信頼性、高堅牢性、高保守性（既存技術の利用）リリアンフローにしたがう横方向ビーム収束をおこなう。
・ミニマルデザイン（建設コストの縮小）
・運転経費の効率化（省エネルギー化、自立運転）

1.

はじめに

___________________________________________# asaka.takao@qst.go.jp- 785 -

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Figure 1: Layout of 40-MeV injector system and chicane section.
磁気レンズは局所的な収束磁場を発生するので、238 MHz 加速空胴および 476 MHz SHB のギャップ電場と干渉のない機器配置が実現できる。これにより、機器パラメータ毎に独立したビーム応答特性（ビームサイズ、エネルギー）を取得できるので、シミュレーションで得られるビーム挙動との比較が容易となる。
Figure 2 に 40 MeV 入射部出口の PARMELA 計算結果（縦方向粒子分布、エネルギー分布、ビームサイズ、水平・垂直方向位相空間の粒子分布）を示す。Figure 3には、40 MeV 入射部全域にわたる規格化エミッタンスの変化を示す。シミュレーション計算では、入射部に備わるエミッタンス制限コリメータとビーム電荷量調整用コリメータも仮定している。シミュレーションの結果、40 MeV 電子
ビームは、バンチ長が 5 ps 以下、ビーム電荷量が 0.4 nCで 5 mm mrad の規格化エミッタンスが得られる。

Figure 2: Simulation results of bunch profile, energy
profile, beam size and distribution in phase space byPARMELA.

Figure 3: Simulation results for normalized emittancealong the beam axis.

3.

ビームコミッショニング

3.1 電子銃システム
電子銃システムでは、50 kV カソード・アノード電圧下でグリッド透明化条件となるカソード・グリッド電圧を設定し、低エミッタンスビームを生成する。ビームは 238 MHz
加速空胴にて直ちに 480 keV まで加速する。
加速空胴への入力 RF 電力と位相は、空胴後の 2 台のビーム電流モニタ（CT）を通過するビーム飛程時間測定（TOF 測定）から最適化される。
最初に TOF 測定で最大エネルギーとなる RF 位相を確認し、設定する。クレスト加速位相の条件で入力 RF 電力の増加にしたがう電子ビーム速度を測定した。この測定結果を Fig. 4 に示す。また、238 MHz 加速空胴のシャントインピーダンスから推定されるエネルギー特性も示す。
測定で得られたビームエネルギーは空胴のシャントインピーダンスで推定されるエネルギー利得と概ね一致している。

Figure 4: Energy gain by 238-MHz RF cavity of the RF
electron gun system.

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3.2 476 MHz サブハーモニックバンチャー
電子集群過程において、バンチ内の電子分布に不均一が生じると、非線形空間電化効果によってエミッタンスが悪化する。これを回避するため 476 MHz SHB の速度変調バンチングでは、ビームタイミングを RF 正弦波の第3 象限位相に合わせる。これにより、電子速度の非線形性を緩和できる。バンチ内の電荷密度が維持されながら電子集群が進むので、エミッタンス悪化を抑えたバンチングが実現できる。
SHB の RF 電力・位相は、Fig. 1 に示した SHB 後方のCT に到達するビームタイミング測定（TOF 測定）で最適化できる。Figure 5 には SHB の RF 電力、および位相変化にしたがうビーム到達時間変化と最適なギャップ電圧条件下のシミュレーション結果を示す。SHB の入力 RF電力の増加（ギャップ電圧の増加）にしたがって最大加速・減速位相ビーム到達の時間差が増大していく。TOF
測定結果とシミュレーション結果を比較することで、最適バンチングとなる RF 電力、位相を見出すことができる。
シミュレーション結果から最適バンチング位相は、クレスト位相から-135˚である。また、最適な RF 電力は 4.8 kWであることが分かる。

Fig. 6 に示すような正、あるいは負のエネルギーチャープを与えることになる。
S バンド加速管の RF パラメータの最適化は、40 MeV入射部後方にあるシケイン部（エネルギー分散部）でおこなわれる。Figure 7 は S バンド加速管の RF 位相に対するエネルギー依存性について、シミュレーション結果、ならびに測定結果を示す。測定したビームエネルギーは、シミュレーション結果と同様の傾向を示している。また、シミュレーションから各 RF 位相におけるバンチ内エネルギー分布状態が推測できる。最終的に確定した RF 位相は、シケインにおいて若干のバンチ圧縮効果が得られる負のエネルギーチャープとした。

Figure 6: Schematic diagram of energy distribution control
by RF phase of S-band accelerating structure.

Figure 5: Beam arrival time at 2nd CT by the rf power andphase of 476 MHz SHB.
3.3 S バンド加速管
40 MeV 入射器では 2 m 長 S バンド定勾配進行波型加速管（2π/3 モード）を使用する。加速管のセル数は 56セル（カプラセルを含む）で、20 MV/m の加速勾配で運転する。
加速管入口に到達するバンチビームの重心エネルギーは 320 keV である。加速管内を通過するバンチビー
ムは加速管の 5 セルに到達する間に、最終的な電子集群と加速が同時におこなわれる。このとき、加速管を伝搬する RF の位相速度が光速度であるために入射ビームは加速管の位相速度に比べて遅延して進むことになる。
オフクレスト位相にビームが入射されるタイミングの違いは、光速域までの加速過程の差異、すなわち位相スリッププロセスの違いから、バンチのエネルギーチャープに影響する。言い換えれば、ビームがほぼ光速度に到達する 6 セル目以降の RF 位相とバンチの位相関係から、加速管出口におけるバンチ内のエネルギー分布はFigure 7: Energy measurement results by RF phase of Sband accelerating structure.

4.

ビーム性能すべての機器パラメータが最適化された後、40 MeV入射部出口におけるエミッタンス測定をおこなった。エミッタンスは S バンド加速管直後にある四極電磁石の励磁量変化に対するビームサイズ応答から得られる。ビームサイズ測定で用いるスクリーンモニタは四極電磁石か- 787 -Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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らは 1 m の距離を隔てた位置に配置されている。
スクリーンは、厚さ 0.1 mm の Yag: Ce を使用している。
ビームプロファイルを撮像する CCD カメラは EtherCAT
通信により、シャッター速度設定、ゲイン設定を遠隔可能とし、すべての制御は GUI を介しておこなわれる。
撮像したビームプロファイルは画像処理され、正規分布フィッティングによってビームサイズを取得する。Figure8 は、四極電磁石励磁量に対する水平・垂直方向ビームサイズ（σ2）を示す。40 MeV に加速されたビーム電荷量は 0.4 nC で、規格化エミッタンスは水平・垂直方向それぞれ 6.7 mm mrad、8.3 mm mrad であった。これらの結果は目標エミッタンスを満足している。Table 1 には、その他のビーム性能をまとめる。

Table 1: Beam Parameter of 40-MeV Injector System
DesignMeasurement

Charge> 0.3 nC

0.4 nC

Energy40 MeV

40 MeVdE / E

1.9 % (FWHM)

Norm. ε5 mm mrad

2 % (FWHM)
6.7 mm mrad (Hor.)
8.3 mm mrad (Ver.)

5. ビーム電荷量調整（連続可変式コリメータ）
通常、グリッド付き熱カソードを用いた電子銃が使用される場合、カソード・グリッド電圧制御により、以下に示す2 つの機能を活用する。
・電子ビームのパルス生成（0.3〜1 ns 幅）・ビーム電荷量の調整
本電子銃では、グリッド透明化条件で使用するために、カソード・グリッド電圧は一定値で使用することになる。このため、カソード・グリッド電圧制御によるビーム電荷量の調整ができない。そこで 476 MHz SHB と S バンド加速管の間に、物理口径（アイリス）が円形のままで連続的に変化するビーム電荷量調整用コリメータを用意した。
Figure 9 にアイリス口径が連続可変するコリメータの原理・構造、Fig. 10 には外観を示す。この連続可変コリメータは、以下に示す事項を念頭に置き設計、製作した。
・物理口径の円形形状を維持（円形アイリスの連続可変）・単純化構造（故障リスクの低減）
・簡易な操作性（1 台のステッピングモータによる動作）

Figure 9: Schematic of beam collimator.

Figure 8: Measurement of beam size by quadrupole scan.

Figure 10: Continuously variable beam collimator.

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コリメータ本体は 2 つの歯車形状をもつ銅材を使用する。Figure 9 に示したように、互いに重なり合う歯面（歯先部分）にはテーパー状に変化していく半円形の溝加工が施されている。歯車の回転角度にしたがって、重なり合う歯面部分は円形孔を形成しながらその大きさが変化していく。また、歯厚寸法は、500 keV の電子ビームに対して十分にエネルギー損失を与える厚さとしている。
2 つの歯車形状の銅材は、DLC コーティングが施されたギア付きターンテーブルにそれぞれ固定される。ターンテーブルは機械式回転導入軸を介して 1 台のステッピングモータで任意の回転角度を与えることができる。
このビームコリメータの直後にはスクリーンモニタを装備し、これらはひとつの真空容器に収納される。実際にビーム電荷量を調整する際、コリメータを開放状態で、ビーム位置をスクリーン中心（コリメータ中心）に合わせる。
そして、アイリス口径を変更し、ビームを切り出すことによってビーム電荷量を調整する。Figure 11 には、アイリス口径に対するビーム電荷量依存性を示す。
本コリメータは S バンド加速管直前に配置されていることから、その後のオプティクス調整をすることなく、ビーム電荷量が調整できる。

計画を進めるにあたり、現状の入射部の機器パラメータによるビームへの影響を調査し、SX-FEL 用線型加速器の設計に反映していく予定である。

謝辞
40 MeV 入射部の設計・開発、機器設置・調整、ビーム試験に至るまでに、多くの方々の協力をいただきました。
本入射部の設計・開発にあたり、理研/放射光科学研究センターの田中均副センター長には、本入射部の目指すべきビジョンを示していただくとともに、あらゆる場面で有益なアドバイスをいただきました。同研究所の稲垣隆
宏氏、前坂比呂和氏、安積則義氏、高輝度光科学研究センターの岩井瑛人氏、糸賀俊朗氏、大島隆氏、近藤力氏、櫻井辰幸氏、谷内努氏、出羽英紀氏、細田直康氏、馬込保氏、柳田謙一氏には、入射部プロトタイプの機器開発から本施設機器設置に至るまで多岐にわたりご協力いただきました。入射部のアライメント作業、制御システム構築・立ち上げ作業は、スプリングエイトサービスの酒井康平氏、住友博史
氏、森谷佳津貴氏、山本龍氏、横町和俊氏、吉岡正倫氏により実施されました。アイデン（株）、工藤電機（株）、クリハラント（株）、多摩川電子（株）、トヤマ（株）、ニチコン（株）、日本高周波（株）、日立造船（株）、明昌機工（株）、三菱重工（株）、PPJ（株）、その他、多くの関係メーカには、入射部の機器製作・設置・機器調整を計画通りに進めていただきました。NAT（株）の運転支援ス
タッフには、加速器立ち上げに関してサポートしていただきました。皆様に深く感謝申し上げます。

参考文献

Figure 11: Dependence of beam charge on aperture size ofbeam collimator.

6.

まとめ

次世代放射光施設 NanoTerasu の 40 MeV 入射部は機器設置完了後、予定通り 4 月中旬よりビームコミッショニングを開始した。ビーム調整は、綿密に練り上げられた手順に沿って構成機器の最適パラメータが見出され、順次、最適化、設定された。電子銃システムのビーム生成・加速パラメータ、476 MHz SHB および S バンド加速管の RF パラメータ探索は、TOF 測定、エネルギー測定結果とシミュレーション計算を比較することにより、適切なパラメータが決められた。40 MeV 入射部出口の Twissパラメータ測定（エミッタンス測定）で、ビーム性能が確認された後、C バンド加速部におけるビーム輸送と 3 GeVまでのビーム加速も数日で達成できた。6 月以降実施している蓄積リングのビームコミッショニングでも安定した入射を実現している。
この 3 GeV 線型加速器は、蓄積リングの入射器としての役割を果たす一方、将来計画である軟 X 線自由電子レーザー（SX-FEL）のための線型加速器として使用予定である。さらなる低エミッタンス化を目指した入射部改造[1] N. Nishimori, “A new compact 3 GeV light source in Japan”,
in Proc. of IPAC2022, Bangkok, Thailand, Jun. 2022,
pp.2402-2406.
[2] T. Asaka et al., “次世代放射光施設 NanoTerasu の 3 GeV
線型加速器ビームコミッショニングの状況”, presented at
20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society ofJapan, Funabashi, Aug. 2023, paper WEOA7, thisconference.
[3] T. Asaka et al., “次世代放射光施設のための 3 GeV 線型加速器の基本設計”, in Proc. of the 16th Annual Meetingof Particle Accelerator Society of Japan, Kyoto, July 31-Aug.
3, 1-3, 2019, pp. 771-775.
[4] X. J. Wang et al., “Design and construction a full copper
photocathode rf gun”, in Proc. of the 1993 Particle
Accelerator Conference, Washington, DC, 1993 (JACoW,Washington, DC, 1993), p.3000.
[5] K. Togawa et al., “CeB6 electron gun for low-emittanceinjector”, Phys. Rev. ST Accel. Beams 10, 020703 (2007).
[6] T. Asaka et al., “Low-emittance radio-frequency electron
gun using a gridded thermionic cathode”, Phys. Rev. Accel.
Beams 23, 063401 (2020).

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