エネルギー回収型リニアック（ERL）を用いた高出力EUV光源の開発
高エネルギー加速器研究機構・加速器研究施設
小林幸則

高エネルギー加速器科学研究奨励会・特別講演会
2015年10月16日＠アルカディア市ヶ谷（私学会館）

講演内容（1）はじめに（2）エネルギー回収型リニアック（ERL）• 加速器構成の簡単な紹介（3）KEKにおけるERL開発の現状• 次世代放射光源ERLの実証器としてのコンパクトERL開発（4）高出力EUV光源に向けて• ERLとFELの技術の利用（5）おわりに（1）はじめにEUV‐FEL光源検討の背景（2014年2月頃）• 半導体微細加工のためリソグラフィ用光源の短波長化が望まれている。
• 次世代光源には、波長 13.5nm（135Å）、EUV（ExtremeUltraviolet: 極端紫外線）領域の高出力（10kW以上）光源が必要とされている。
• 現状、LPP（レーザー励起型プラズマ）光源が開発されているものの、高出力化が困難な状況が続いている。
• そのため、加速器をベースにした高出力光源ができないかとの期待が高まってきている。
• 2005年頃提案されていたERLをベースにした自由電子レーザ（FEL）光源が見直されはじめた。

• この加速器が技術的に実現可能なのか、実現するとすればその実現可能な時期等についてKEKにおいて検討を行ってきた。

羽島良一、「半導体リソグラフィのためのEUV‐FELの提案」、第21回FELとHigh‐Power Radiation 研究会

1Wにも届かない。
宮島 司

10kWにするには平均電流を200倍にあげる必要がある。
第12回日本加速器学会年会 2015年従って8月7日

5

ERLの特徴•

Energy Recovery Linac (ERL、エネルギー回収型線形加速器)の名の通り、線形加速器•線形加速器： 電子源から電子を生成し加速、電子ビームを利用したのちに、ダンプに捨てる
加速空洞

電子源

ビームの時間構造••

Energy Recovery Linac (ERL、エネルギー回収型線形加速器)： 加速した電子ビームをもう一度加速空洞に通して減速。そのエネルギーを次のビームに与える（回収する）。
ビームの時間構造
・・・

•

メリット
––

利用部分

・・・

エネルギーを回収するため、省エネ
低いエネルギーでビームを捨てるため、放射化が低減– 大電流ビームを扱うことが可能

線形加速器の特徴：– ビームは一度きりの使い捨て（ビーム品質は電子源によって決まる）

 n

加速すればするほど幾何学エミッタンスは減少– でも、出力は「電流×加速エネルギー」
なので、大電流化するとどんどん必要な電力が増加（ついでに捨てる時の放射線も増大）
電流増強・加速すればするほど必要な電力も増える
宮島 司

電子源

リニアック
ＣＷ超伝導加速空洞が最適

第12回日本加速器学会年会 2015年8月7日

ダンプ

6

（2）エネルギー回収型リニアック（ERL）

加速器構成の簡単な紹介

ERLの構成

典型的なERLの配置構成

入射部
役割（cERLを例に）• 電子銃＋励起レーザー‐‐‐

大電流・低エミッタンスビームの生成• ソレノイド電磁石‐‐‐

空間電荷効果の補正• バンチャー空洞‐‐‐バンチ長の調整• 入射加速空洞‐‐‐

ビームの加速• 四極電磁石との整合‐‐‐

ビームの収束、合流部• 入射診断ライン‐‐‐

入射ビームの診断

ソレノイド
電磁石

入射部の電流、エミッタンス、バンチ長などを評価

電子銃

入射加速空洞 ５連四極電磁石

バンチャー
空洞

入射ビームダンプ
入射診断ビームライン

cERL入射部・入射診断ラインの配置構成

周回部
役割：
• 主加速空洞‐‐‐‐ビーム加速と減速• 偏向、四極電磁石‐‐‐‐

ビーム輸送、バンチ圧縮・伸長• 周長補正シケイン‐‐‐‐‐

エネルギー回収調整• 各種モニター‐‐‐‐

ビーム診断（位置、サイズ測定）

KEK コンパクト ERL(cERL)の配置構成

取出部・ダンプライン
役割：減速ビームを周回部から取出してビームダンプに捨てる。
• 周回部とダンプラインの干渉• ダンプ前でのビームロス抑制
考慮すべき事項• 周回ビームへの影響抑制（分散、軌道）• ビームダンプの発熱（冷却、ラスタリング等）

cERL取出部・ダンプライン

cERL取出部（ダンプシケイン）

cERLビームダンプRFシステム
役割：空洞に高周波電力を供給する装置。すべて1.3GHz CWで動作
cERLの例

入射空洞#1用30kW クライストロン

主空洞用30kW IOT

入射空洞#2,3用300kW クライストロン

主空洞用8,16kW半導体増幅器

冷凍システム

役割：空洞が超伝導状態になるように冷却する装置。
1.3GHzの周波数では、2Kにする必要がある。

入射空洞用

主空洞用
冷凍能力: 600 W @ 4K ( 250 L/h )cERLの冷凍システム

ビームロス・放射線関連
役割：放射線遮蔽、ビームロス・放射線の監視、マシン防護。
• 加速器室（放射線遮蔽壁）：放射線の遮蔽• 放射線モニタ：加速器室外での放射線監視• 加速器室内モニタ：加速器室内でのビームロス・放射線監視• 高速モニタ：ビームロスの高速検知とマシン防護• コリメータ：ビームロスの局在化加速器室（コンクリート壁）
側面1.5m厚
天井1.0m厚（3）KEKにおけるERL開発の現状

次世代放射光源ERLの実証器としてのコンパクトERL開発

実証機としてのコンパクト ERL (cERL)ERL 開発棟

コンパクト ERLの目的
100mx50m

主要な装置のR&Dと安定な運転の実証
 超低エミッタンスビームの生成・加速
 エネルギー回収の実証
 加速器総合性能の確認Parameters of the Compact ERLParameters

ERLを構成する基本要素をすべて含む
宮島 司

Beam energy(upgradability)

35 MeV
125 MeV (single loop)
245 MeV (double loops)

Injection energy

5 MeV

Average current

10 mA(100 mA in future)

Acc. gradient(main linac)

15 MV/mNormalizedemittance

0.1 mm·mrad (7.7 pC)
1 mm·mrad (77 pC)

Bunch length(rms)

1 - 3 ps (usual)~ 100 fs (with B.C.)

RF frequency

1.3 GHz16

コンパクトERLの解説動画

cERLを構成する装置（電子銃・入射器）•

光陰極DC電子銃 （JAEAで開発）： 500 kV, 10 mA
–

•

電子銃

入射器超伝導空洞––•

高電圧印加試験を経て、390 kVで運転
2‐cell 空洞3台
大電力試験を経て、最大 7 MV/m で運転

入射器診断ライン–

入射器で生成されたビームの品質（エミッタンス、バンチ長等）を診断

入射器診断ライン

宮島 司

入射器超伝導空洞

18

cERLを構成する装置（主空洞、周回部）•

主空洞（周回部超伝導空洞） エネルギー回収する部分
–––

•

主空洞
9-cell超伝導空洞

Main-Linac Cryomodule

CryostatTuner

周回部––

•

9‐cell空洞2台 （性能評価試験では、16 MVに到達）
He lossの増大、およびfield emissionによる放射線増大を考慮し、1台あたり8.57MVで運転
加速後のエネルギー： 19.4 MeV
加速されたビームをもう一度主空洞まで輸送する
LCS光源やTHｚ光源の発光点が配置される

主ダンプライン–減速ビームを捨てる

Input couplers
HOM absorber

周回部

宮島 司

19コンパクトERLの建設と立ち上げ
2008年度2009

ERL開発棟改修

2010
放射化物片付け

2011

2012

2013

2014

2015

放射線シールド建設

入射部建設
入射部コミッショニング（5 MeV, 1 μA）

周回部建設

周回部コミッショニング（20 MeV, 10 μA）

LCS建設
電流増強（100 μA）、LCS立ち上げ

完成したコンパクトERL

光陰極DC電子銃
入射器診断ライン
入射器モジュール
主空洞モジュール

南直線部

第２アーク

コンパクトERLのビーム運転の経過
各機器の性能試験結果を元にビーム運転計画を定めた• 段階的に試験を実施（上流から性能検証を実施、電流も段階的に上げていく）• 電流増強の度に、放射線申請変更と施設検査が必要 ⇒ これまで、着実に合格してきている― 短い運転時間で、着実に放射線施設検査を合格できるような運転計画を作る― 残された時間で、効率的に機器の性能検証、ビーム調整法の確立を行う

2013年
1月～6月

2014年
7月～12月

1月～6月

2015年
7月～12月

1月～6月

2016年
7月～12月

1月～6月

7月～12月入射器単体試験（4月～6月）、最大1 μA
電子生成・加速（5.6 MeV）に成功
7.7 pC（平均電流10 mA相当）で0.8 mm mrad以下の規格化エミッタンス
cERL総合運転（12月～3月）、最大 10 μA
主空洞での加速に成功（19.4 MeV）
エネルギー回収に成功
cERL総合運転（5月～6月）、最大 10 μA
ビーム光学の基本情報の取得
7.7 pCで5.8 mm mrad（周回部）
LCS‐X線生成試験（1月～3月）、最大100 μA
LCS用ビーム光学調整
LCS‐X線の観測
低エミッタンス調整（5月～6月）、最大100 μA
空間電荷補償のための基礎データを取得
LCS‐X線生成試験の続き

22

エネルギー回収の実証 (I0 = 30 A)

S. Sakanaka,
IPAC15, TUBC1

ERL operation

Non-ERL operation

Cavities 1 and 2: acceleration (1st pass) anddeceleration (2st pass)

Cavity 2: deceleration Cavity 1: acceleration

E=2.9MeV
E=19.9 MeV

No beam loading

E=2.9 MeV

E=2.9 MeV

Energy recovery: 100‐98.6%(within accuracy of the measurement)(Vc=8.57 MV/cavity)(Vc=8.57 MV/cavity)

E=2.9 MeV

Beam loading (+ and ‐)Cavity 2: Pin-Pref

Cavity 1:Pin-Pref

275W
-294W

Cavity 1: Pin-Pref

Beam current
30 A

Cavity 2:Pin-Pref
Beam current

30 A(Power lost in cavity) = (Pin : input power to cavity) ‐ (Pref : reflected power from cavity)
宮島 司

23

平均ビーム電流 約80 A の安定な運転を達成（申請値100 A ）24

cERLを用いた平均ビーム電流の実証経過• 今のところ、1年に10倍のペースで電流を増強

S. Sakanaka,IPAC15, TUBC1At present
10 mA

Prospect
1 mA
100 A
10 A
1A

毎年着実に平均ビーム電流を10倍にしてきた次は、1 mA
2016年1月からの試験に向けて準備中

25

高輝度電子ビームの輸送（低バンチ電荷）
空間電荷効果の効かない低バンチ電荷の輸送試験（加速器の基本性能の評価）

S. Sakanaka et al., LINAC14低バンチ電荷（空間電荷効果が効かない）では、ほぼ初期エミッタンスを保持して輸送
26

高輝度電子ビームの輸送（高バンチ電荷）
空間電荷効果が支配的な高バンチ電荷(7.7 pC/bunch, 10 mAピーク)の輸送試験（これまで3回実施）（１） 入射器単体試験（2013年6月）（２） 周回部輸送試験

入射器エネルギー: 5.6 MeV
周回エネルギー： 周回なし

入射器エネルギー: 2.4 MeV(2015年6月のみ、4.5 MeV)
周回エネルギー： 19.4 MeV

Y. Honda, ERL2013
S, Sakanaka, ERL2013 より規格化エミッタンスの測定結果 (nx /ny), 単位 mm mrad(1)入射器診断部

7.7 pC（短パルス）

0.8 / 0.5

7.7 pC（長パルス）

0.7 / 0.7

Normalized rms emittance (m·rad)

運転モード

注：運動エネルギーを使用

2015年6月17日（水）高井さん資料よりCharge/bunch (pC)

最低限の目標(< 1 mm mrad)は達成
しかし、設計（0.3 mm mrad）にはまだ実証できず

低バンチ電荷： ほぼ初期エミッタンスを保持して輸送
中バンチ電荷： 設計(0.25 mm mrad）に近い
高バンチ電荷： 設計(0.6 mm mrad)よりかなり大きい

今後も高バンチ電荷での基礎情報の測定・調整法の確立を目指す

27

（4）高出力EUV光源に向けてERLとFELの技術を利用

高出力EUV‐FEL発振に重要なパラメータ• 最適なビームエネルギー （ ）• 最適なアンジュレータの周期長（U ）、磁場（U ）、長さ（LU ）• 高いピーク電流 （Ipeak ） ~ 短いバンチ長（t） ← バンチ圧縮• 低エミッタンス（） , 低エネルギー分散（） かつ 高い平均電流 （I ） ← ERL

FEL共鳴条件

U  K 2 2 ph 1,KeB/2mc
UU22 2 

FEL関連パラメータ（ゲイン長LG、FELパラメータ ） 1 I peak K 2 JJ 2 u 2 u , I peak  Qb / 2 t , I A 17 kA
LG ,  
32 

4 3
 16 I A   x y (2 ) 
1/ 3

FEL出力の飽和に至るアンジュレータの長さ（ゲイン長）を短くするため、を大きくしたい → ピーク電流が高くかつ高品質のビームが必要。

これまでに検討された
EUV‐FEL光源加速器の設計仕様
項目
波長
出力
バンチ電荷
ビームエネルギー
超伝導空洞の加速勾配
超伝導空洞の数
ビーム繰り返し周波数
平均ビーム電流要求性能
設計仕様
13.5 nm
10 kW
60 pC
800 MeV12.5 MV/m
9‐cell 空洞×64
162.5 MHz9.75 mA

超伝導空洞の周波数： 1.3 GHz

コンパクトERLで実証してきた性能をベースに設計

30

ERLを用いたEUV‐FEL光源の概要
出力(FEL発振前）：
800 MeV ×10mA = 8 MW
出力（FEL発振後）：799 MeV ×10mA = 7.99 MW

1st Arc©Rey.Hori/KEK
Beam Dump

出力：
9 MeV ×10mA= 90 kW

FEL出力：
10 kW

790 MeV の加速・減速
Merger

2nd Arc

Injector LinacGun

光源加速器のサイズ⇒ 主空洞の加速勾配に依存

出力：10 MeV ×10 mA = 100 kW
31

EUV‐FEL光源用の入射器• 要求： 平均電流 10 mA の高輝度ビームの生成・加速
ビーム輸送条件の最適化

cERLでの入射器超伝導空洞の実績
7 MV/m 付近で安定に運転 （5 MeVに加速）⇒ 10 MeV 加速用に入射器空洞を2倍にして安定な運転を確保する

Normalized emittance[mm·mrad]0.6

Qb=60 pC
E=10.511 MeV

0.50.4
0.3
0.2
0.1
0.0

1ps
00.2

2ps
0.4

0.60.8

Bunch length[mm]Tracking by GPT

60pC/bunch
1 ps : 0.30 mm mrad, 0.25 %  n = 0.60 mm·mrad, p/p = 0.25 % @ merger exit
2 ps : 0.25 mm mrad, 0.25 %  n = 0.55 mm·mrad, p/p = 0.25 % @ merger exit

このビーム条件を初期値として、バンチ圧縮シミュレーションを実施
N. Nakamura et al., ``Design Work of the ERL‐FEL as the High Intense EUV Light Source'', ERL2015, MOPCTH010.

32EUV‐FEL光源用の超伝導加速空洞（主空洞）• 要求： 12.5 MV/m で 10 mA ビームの安定な加速・減速
cERL 空洞 (Model 2) – stably operated at ~8.5 MV/m （現時点での実績）

ERL-EUV 空洞 (Model 1) – TESLA-type 9-cell cavity + 108ϕ beam pipe

Under design. A large-aperture beam pipe will be also applied to the left side.

加速モードのパラメタ
Model 2Model 11300 MHz

1300 MHz

Rsh/Q

897 Ω

Ep/Eacc

3.0

Frequency

Model 2Model 1

Iris diameter

80 mm

70 mm

1007 Ω

Qo×Rs289 Ω272 Ω

2.0

Hp/Eacc

42.5Oe/(MV/m)

42.0
Oe/(MV/m)

Ep/Eaccの低減によって、12.5 MV/m での安定な運転が目標
N. Nakamura et al., ``Design Work of the ERL‐FEL as the High Intense EUV Light Source'', ERL2015, MOPCTH010.

33

バンチ圧縮と復元（伸長）• 要求： FEL発振のためにピーク電流を高める（50 fs以下）
エネルギー回収のために、バンチ長を復元（伸長）する

バンチ長を43 fs程度まで圧縮できることをシミュレーションで確認した
N. Nakamura et al., ``Design Work of the ERL‐FEL as the High Intense EUV Light Source'', ERL2015, MOPCTH010.

34

FELの性能• 要求： 10 kW のFEL出力加藤龍好氏による計算

電子ビームの条件: E=800 MeV, Qb=60 pC, fb=162.5/325 MHz
ヘリカルアンジュレータの条件: K=1.652, u=28 mm, Lu=2.8m x 40バンチ圧縮法: 第一弧部 + シケイン
67.6 J
55.5 J

FEL 出力（テーパーなし） :9.0/18.0 kW @ 9.75/19.5 mA
FEL 出力（10% テーパー）: 11.0/22.0 kW @ 9.75/19.5 mA
N. Nakamura et al., ``Design Work of the ERL‐FEL as the High Intense EU Light Source'', ERL2015, MOPCTH010.

35

（5） おわりに高出力EUV光源について• 10kWクラスのEUV‐ERL‐FEL光源は、KEKで行ってきた加速器要素技術開発およびコンパクトERLのコミッショニングの経験から、実現可能であり、概念検討段階では大きな問題はないと予想しているが、出力の十分なマージンを確保するために、今後も最適化のシミュレーションが重要である。
• 加速器については、2015年度（今年度）から主要コンポーネント（EUV用の電子銃、主超伝導空洞）のR&Dを開始し、2016年度から建設予算が付けば、3~4年間で建設・設置を行って、2019年度内にビームコミッションニングを経て、最初の10kWの高出力EUV光を得ることが、ぎりぎり可能と考えている。

ERL Development Team in Japan
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
S. Adachi, M. Adachi, M. Akemoto, D. Arakawa, S. Asaoka, K. Enami,K. Endo, S. Fukuda, T. Furuya,
K. Haga, K. Hara, K. Harada, T. Honda, Y. Honda, H. Honma, T. Honma, K. Hosoyama, K. Hozumi,
A. Ishii, E. Kako, Y. Kamiya, H. Katagiri, H. Kawata, Y. Kobayashi, Y. Kojima, Y. Kondou,
O. Konstantinova, T. Kume, T. Matsumoto, H. Matsumura, H. Matsushita, S. Michizono, T. Miura,
T. Miyajima, H. Miyauchi, S. Nagahashi, H. Nakai, H. Nakajima, N. Nakamura, K. Nakanishi, K. Nakao,
K. Nigorikawa, T. Nogami, S. Noguchi, S. Nozawa, T. Obina, T. Ozak i, F. Qiu, H. Sakai, S. Sakanaka,
S. Sasaki, H. Sagehashi, K. Satoh, M. Satoh, T. Shidara, M. Shimada, K. Shinoe, T. Shioya, T. Shishido,
M. Tadano, T. Takahashi, R. Takai, T. Takenaka, Y. Tanimoto, M. Tobiyama, K. Tsuchiya, T. Uchiyama,
A. Ueda, K. Umemori, K. Watanabe, M. Yamamoto, Y. Yamamoto, Y. Yano, M. Yoshida
Japan Atomic Energy Agency (JAEA)
R. Hajima, S. Matsuba, R. Nagai, N. Nishimori, M. Sawamura, T. Shizuma
The Graduate University of Advanced Studies (Sokendai)
E. Cenni
Institute for Solid State Physics (ISSP), University of Tokyo
H. Takaki
UVSOR, Institute for Molecular Science
M. Katoh
Hiroshima University
M. Kuriki, Y. Seimiya
Nagoya University
Y. Takeda, Xiuguang Jin, M. Kuwahara, T. Ujihara, M. Okumi
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)
D. Yoshitomi, K. Torizuka
JASRI/SPring-8
Yamaguchi University
H. Hanaki
H. Kurisu
宮島 司38• 謝辞 ～運転を支えて頂いた方へ～コンパクトERLのコミッショニング運転では、建設・コミッショニングチームだけでなく、機器を安定に運転するために多くの方の協力がなければ進めることができませんでした。
大前提として、冷凍機の安定な運転が欠かせませんでした。冷凍機運転員の方に感謝します。
また、コミッショニング運転では機器の迅速な立ち上げ・立ち下げ、そして運転に必要なソフトウェアの迅速なサポートが欠かせませんでした。支援していただいた東日本技術研究所やＮＡＴの方々に感謝します。

宮島 司

39

宮島 司

OHO セミナーのテキスト
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• ERL関連• 2015年、2008年• FEL関連• 2013年、1998年• ILC（超伝導空洞開発）関連• 2014年、2006年

ホームページ• http://accwww2.kek.jp/oho/OHOtxt1～4.html

ご清聴ありがとうございました。