講演番号: THOB11

3GeV次世代放射光施設ナノテラスの蓄積リング
電磁⽯及び⼊射部電磁⽯の設置と試運転状況
量⼦科学技術研究開発機構(QST)
量⼦技術基盤研究部⾨
次世代放射光施設整備開発センター 加速器グループ
⼩原脩平(obara.shuhei@qst.go.jp)
⻄森 信⾏，安積 隆夫，上島 考太，保坂 勇志(量研)，⻘⽊ 駿尭，伊原 彰，岩下 ⼤器，⼩林 創，⼩林 秀樹(量研, NAT)，
渡部 貴宏，近藤 ⼒，⾼野 史郎，深⾒ 健司，⽥村 和宏，⼤⽯ 真也，⼩路 正純(JASRI、理研, 量研)，⻘⽊ 毅，松原 伸⼀，柳⽥ 謙⼀，川瀬 守弘，⾕内 努，⼭⼝ 博史，増⽥ 剛正，上⽥ 庸資(JASRI, 量研)，
稲垣 隆宏(理研, JASRI )，安積 則義(JASRI, 理研)，松井 佐久夫(理研) ,平岩 聡彦(理研), 井上 忍, 住友 博史, 森⾕ 佳津貴, 横町 和俊, ⼭本 ⿓, 酒井 康平, 吉岡 正倫(SES)
2023年8⽉31⽇

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

1Topicsn 次世代放射光施設(NanoTerasu)について
n 電⼦蓄積リング(Storage-Ring: SR)の電磁⽯の設置
n SR⼊射部のパルス電磁⽯の調整
n まとめ

2023年8⽉31⽇

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

2SPring-8

場所

宮城県

兵庫県

電⼦ビームエネルギー

3 GeV

8 GeV

蓄積電流

> 400 mA

100 mA

セル数

1644

リング周⻑

349 m

1436 mエミッタンス

1.14 nmrad

2.4 nmrad

消費電⼒

5 MW

40 MW

最⼤ビームライン数2863

メインのX線

Soft ~ Tender X線

Hard X線※ Coupling = 1%

実線: NanoTerasu
点線: SPring-8

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

0.0
σx = 121 µm
σy = 5.8 µm

n 2023年8⽉現在,加速器は100 mA以上蓄積を達成し,ビームオプティクスを調整中 ※ コミッショニングについてはTUOP02で講演されました
2023年8⽉31⽇

1.0y (mm)n 宮城県仙台市東北⼤学キャンパス内に建設中の次世代放射光施設
n ⼩さいエミッタンスと⾼い輝度
n 2024年から本格運⽤開始予定

NanoTerasu

Brilliance

Photo courtesy of PhoSIC

110m
⻑周⻑349m 蓄積リング(SR)

3GeV
線形加速器

次世代放射光施設(NanoTerasu)

-1.0
-1.0

0.0x (mm)1.0※ デザイン時のsimulationであり、現在のビームプロファイルではありません
3電⼦蓄積リング(Storage-Ring: SR)n 4-Bend-Acromat 構造

⻑直線部(5.44m)– (偏向×4 + 四極×10 + 六極×10) × 16セル

短直線部
(1.64m)248

28

B1L1130

Φ40

Φ34Q1L200

Q3L200DA架台
2023年8⽉31⽇

BCES1

Φ40L200[※] K. Fukami et al“Performance verification of a precise vibrating-wirelight sources”, Rev. Sci. Instrum. 90, 054703 (2019);

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

171254

Φ3475

171
248

254

233
233

349

235

n 架台毎にVWM[※]で磁場中⼼をアライメント
n レーザートラッカーを⽤いてトンネル内に設置

S4L200F

magnet alignment technique for next-generation4蓄積リング電磁⽯の設置状況

FEDCB

電⼦ビーム進⾏⽅向A

1セルあたりABC(DEF)の6架台にわけて磁⽯が載っている
2023年8⽉31⽇

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

5

設置後のレーザートラッカーによる測量結果※測量およびデータ解析はSpring Eight Service (SES)による⊿x [mm]0.450

n 建屋and/or地盤の変形の影響をうけ周期振動がみえる
n ビームへの影響は⼩さい

0.350
0.250
0.150~200𝜇𝑚

0.050-0.050 050

100150200250300

350-0.150-0.250-0.350-0.4500.450

C4C5C6C7C8C9⊿y [mm]

C10 C11 C12 C13 C14 C15 C16 C1C2C3

0.350~200𝜇𝑚

0.250
0.150
0.050
-0.050 050

100150200250300

350-0.150-0.250-0.350-0.450path length [m]C42023年8⽉31⽇

C5C6C7C8C9C10 C11 C12 C13 C14 C15 C16 C1

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

C2C3

※データは偏向磁⽯および各架台の上下流端の測定点
6隣合う架台との相対偏差※測量およびデータ解析はSpring Eight Service (SES)による

x[μm]

y[μm]

max

109

max

86

min-91

min-82

std

34

std

26

n 架台同⼠は⼗分滑らかに接続されている
n うねりは建屋/地盤の変形による影響が⾒えている; ビームへの影響は⼩さい
2023年8⽉31⽇

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

7

線形加速器から蓄積リングへの⼊射部
n 電源1台でキッカー2台を駆動
n 同じ⾓度で蹴る → 蓄積ビームを揺らさない透明⼊射(を⽬指す)
磁⽯
DCセプタムパルスセプタム
キッカー

B (T)
1.2
1.40.2

⻑さ (mm)
400
500
300

DCセプタム1

積分磁場 (Tm)
0.48
0.70.06

キック⾓ (mrad)
48.0
70.0
6.0

DCセプタム2

蓄積リング

パルス幅 (μs)
103

LINAC

パルスセプタム

入射ビーム
蓄積ビーム

キッカー 1-1 1250

キッカー 1-2

1100

1100

キッカー 2-11250

キッカー 2-2

入射ビーム
4
セプタム壁

7.5

2.5
バンプビーム
7.5
蓄積ビーム
2023年8⽉31⽇

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

8

キッカー磁⽯の電流波形相似性確認
キッカー磁⽯#1/#2/#3/#4の⽣波形

n 実際にパルス電源からキッカー磁⽯への通電を⾏い、電流波形を確認
n 定格49kV-1.4kA

1.5Charge (A)1.4kA– 蓄積ビームを揺らさないために4波形をできるだけ⼀致させたい– キッカー磁⽯#4だけズレが⼤きいので電源内でインダクタンスの再微調整の余地有り– タイミングはトリガー発⾏で調整可能

13.3μs0.50−50−48−46Time (µ s)−44−42キッカー磁⽯#1と#2/#3/#4との差分
Difference from kicker-1 (A)n 電源に⽤いているダイオード(CKE社製CKF12P100D1D)が廃盤– 世の中の在庫をかき集めて予備品のこり45個– 課題︔• 代替品(オリジン電⼦社製 USR100PP12A)試験• 実際に使⽤して同じ波形出⼒できるかを今後調査

200
Kicker1
Kicker2
Kicker3−20

Kicker4−50−48−46Time (µ s)−44−42※ 波形データは2023年11⽉時点でのものであり、現在調整中です
2023年8⽉31⽇

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

9

パルスセプタム磁⽯のタイミング調整パルス電源電流波形

2.6kA

BPM-INJ03

S (mm)~10μs

X (mm)
パルスセプタム
BPM-INJ02

BPM-INJ03

電⼦ビーム

キッカー磁⽯3
電⼦ビームとパルスセプタムのタイミングが合っている時に最も内周側に蹴られる。
タイミングを変更して⾏った時に、BPMの位置は、電流波形と同じサインカーブになる
2023年8⽉31⽇

キッカー磁⽯4

BPM-INJ01
パルスセプタムはリング内周⽅向へキックする(資料上⽅向, x軸マイナス⽅向)

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

10

パルスセプタム磁⽯のタイミング調整
パルス電源電流波形

2.6kA

BPM-INJ03

S (mm)~10μs

X (mm)
パルスセプタム
BPM-INJ02

BPM-INJ03

電⼦ビーム

キッカー磁⽯3
電⼦ビームとパルスセプタムのタイミングが合っている時に最も内周側に蹴られる。
タイミングを変更して⾏った時に、BPMの位置は、電流波形と同じサインカーブになる
2023年8⽉31⽇キッカー磁⽯4BPM-INJ01
パルスセプタムはリング内周⽅向へキックする(資料上⽅向, x軸マイナス⽅向)

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

11

パルスセプタム磁⽯のタイミング調整
パルス電源電流波形

2.6kA

BPM-INJ03

S (mm)~10μs

X (mm)
パルスセプタム
BPM-INJ02

BPM-INJ03

電⼦ビーム

キッカー磁⽯3
電⼦ビームとパルスセプタムのタイミングが合っている時に最も内周側に蹴られる。
タイミングを変更して⾏った時に、BPMの位置は、電流波形と同じサインカーブになる
2023年8⽉31⽇

キッカー磁⽯4BPM-INJ01
パルスセプタムはリング内周⽅向へキックする(資料上⽅向, x軸マイナス⽅向)

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

12

パルスセプタム磁⽯のタイミング調整
パルス電源電流波形

2.6kA

BPM-INJ03

S (mm)~10μs

X (mm)
パルスセプタム
BPM-INJ02

BPM-INJ03

電⼦ビーム

キッカー磁⽯3
電⼦ビームとパルスセプタムのタイミングが合っている時に最も内周側に蹴られる。
タイミングを変更して⾏った時に、BPMの位置は、電流波形と同じサインカーブになる
2023年8⽉31⽇

キッカー磁⽯4BPM-INJ01
パルスセプタムはリング内周⽅向へキックする(資料上⽅向, x軸マイナス⽅向)

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

13

パルスセプタム磁⽯のタイミング調整
パルス電源電流波形

2.6kA

BPM-INJ03

S (mm)~10μs

X (mm)
パルスセプタム
BPM-INJ02

BPM-INJ03

電⼦ビーム

キッカー磁⽯3
電⼦ビームとパルスセプタムのタイミングが合っている時に最も内周側に蹴られる。
タイミングを変更して⾏った時に、BPMの位置は、電流波形と同じサインカーブになる
2023年8⽉31⽇

キッカー磁⽯4BPM-INJ01
パルスセプタムはリング内周⽅向へキックする(資料上⽅向, x軸マイナス⽅向)

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

14

パルスセプタム磁⽯のタイミング調整

1 mm

n サインカーブで中⼼から±1 μs動くと14°程度 → 13 kV時で1 mm程度動く
n 予想と consistent な測定データが得られた
n カーブの底に位置するタイミング設定値を選んだ

BPMに信号が⼊っていない

ここの辺りが最も内側に蹴るタイミング

BPMに信号が⼊っていない

中⼼から±1 μs部分を詳細にスキャン

2 μs

6 μs
2023年8⽉31⽇

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

※ カーブから外れている左右の箇所では,chamber内壁にビームがあたりBPM信号強度が不足しているため, 正しい位置は反映していない15

キッカー電源のタイミング調整
n キッカーでつくるバンプ軌道は7.5mm height– ただし今回はBPM-INJ03でモニタしているので、おおよそ3.5mm heightになる

n Xがプラス⽅向のサインカーブ
n ほぼ電流波形を再現する形のデータが得られた
ここの辺りが最も外側に蹴るタイミング

パルスセプタム
BPM-INJ02

3 μs

キッカー磁⽯3BPM-INJ03

キッカー磁⽯4BPM-INJ01
2023年8⽉31⽇

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

16

⼊射ビームの軌道調整

n 蓄積ビームに対して、⼊射ビームを並⾏な軌道にする– パルスセプタム直下のBPM2,3の位置が重なるように波⾼を調整した– この時キッカーはOFF

BPM-INJ03– BPM1を⾒ながらDCセプタムを調整した

BPM-INJ02※パルスセプタムが蹴りすぎの図

n パルスセプタムの内壁ギリギリまで寄せる

S (mm)X (mm)

パルスセプタム
BPM-INJ02

BPM-INJ03

並⾏軌道になる出⼒電圧

BPM2
BPM3
パルスセプタム出⼒ [kV]
2023年8⽉31⽇

キッカー磁⽯3キッカー磁⽯4BPM-INJ01

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

17

SUMMARYn 3GeV次世代放射光施設(NanoTerasu)における蓄積リングの電磁⽯および電源が全て設置された– 設置誤差は許容範囲内に収まっており、蓄積電⼦ビームに対する影響は⼗分⼩さい

n 2023年5⽉から全ての電源が通電状態にあり、現在まで問題なく稼働している
n ⼊射部パルス電源のタイミング調整を⾏い, 電⼦ビームの磁⽯への到達タイミングと出⼒タイミングを調整した
n ⼊射部のパルス波形の微調整は今後蓄積ビームの揺れを⾒ながら⾏う

2023年8⽉31⽇

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

18

ご清聴ありがとうございました

量子科学技術研究開発機構（QST）は、量子科学技術による「調和ある多様性の創造」により、平和で心豊かな人類社会の発展への貢献を理念とし、「世界トップクラスの量子科学技術研究開発プラットフォーム」の構築を志します。

■ ＱＳＴホームページ ： http://www.qst.go.jp/■ QST未来戦略２０１６： http://www.qst.go.jp/about/welcome/plan2016.html
2023年8⽉31⽇

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

19

各種磁⽯のパラメータ[※]
偏向電磁石のパラメータ

B1

四極電磁石のパラメータ

ビーム軌道上のギャップ (mm)28

ボア直径 (mm)34定格電流 (A)650

コイル定格電流 (A)352

ターン数 (T/Pole)16

コイルターン数 (T/Pole)

有効磁場長 (mm)1130

有効磁場長 (mm)コイルを含む全長 (mm)1315

コイルを含む全長 (mm)

員数64

磁場勾配均一度 (%) (x< 6mm)

二極磁場強度 (T)0.8688

員数

四極磁場強度 (T/m)-7.06

磁場強度 (T/m)
六極電磁石のパラメータQ1

17Q2Q312202482302482020248266

0.13232323232+32.62-2.62+49.15+5.43+44.64

S1S2S3S4S559309

25940メインコイル定格電流 (A)250999有効磁場長 (mm)コイルを含む全長 (mm)Q5200

ボア直径 (mm)メインコイルターン数 (T/Pole)

Q4200259259259

磁場勾配均一度 (%) (x< 6mm)

0.1

補助コイル定格電流 (A)20

補助コイルターン数(T/Pole)

4848

48

2048

員数

32323232

32+949.5-1124.9-472.3+1061.7-1540.7

磁場強度 (T/m2)[※] 3GeV次世代放射光施設加速器デザインレポートより2023年8⽉31⽇

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

20

各種磁⽯のパラメータ
偏向電磁石のパラメータ

B1

四極電磁石のパラメータ

ビーム軌道上のギャップ (mm)28

ボア直径 (mm)621 / 5

積分磁場勾配 (T)定格電流 (A) / 電圧 (V)Q1Q2

Q3Q4Q5348.9

6.3

10.5

10.5

ターン数 (T/Pole)16

磁極長 (mm)

磁極長 (mm)1091

コイル定格電流 (A) / 電圧 (V)

員数64

コイルターン数 (T/Pole)

17122020

冷却水流量 (L/min)

11.2

コイルを含む全長 (mm)

247

229

247

265

重量 (kg)

1380

員数

32

32

32

32

冷却水流量 (L/min)

5.9

7.6

5.4

5.1

重量 (kg)320315400

325

六極電磁石のパラメータS1

S2

曲率半径 (mm)
偏向角 ( )

11410.085
5.625

181
352 / 3.4

ボア直径 (mm)
積分磁場勾配 (T/m)

434

434

S5434

241

434

59260 / 1.999

磁極長 (mm)

2023年8⽉31⽇

S440

メインコイル定格電流 (A) / 電圧 (V)メインコイルターン数 (T/Pole)

S39188コイルを含む全長 (mm)258258258

289258

員数3232323232

冷却水流量 (L/min)

2.52.5

2.5

3.5

2.5

重量 (kg)

300

300

300

205300⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

21

次世代放射光施設(NanoTerasu)
••

実験ホール
••
•

4-Bend-Acromat 構造
1セルあたり• 偏向磁⽯×4• 四極磁⽯×10• 六極磁⽯×10が16セル並ぶ
それぞれ直列接続されていて、リング⼀周を同時に制御
補助コイルは独⽴制御

蓄積リング
349 m
•
•
•

線型加速器のみで電⼦を3GeVまで加速

C04
C01

線型加速器 110m

2022年12⽉6⽇
2023年8⽉31⽇

C02•

⼊射部では蓄積ビームに対して7.5mmバンプをつくる
1台のパルス電源で2台のキッカー磁⽯を駆動2台の電源(4台の磁⽯)を精密⼀致させ、透明⼊射を⽬指す

C03

Beam Transport

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

222023年8⽉31⽇

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

23

電磁⽯電源の構成
n Family電源– 偏向磁⽯は全て直列接続;• 650A/400V電源 1台– 四極磁⽯は同じ種別毎に直列接続;• 350A/200V電源×3台 (Q1,3,5)• 50A/50V電源×2台(Q2,4)– 六極磁⽯は同じ種別毎に直列接続;• 250A/110V電源×5台

n Q補助電源– Q1, 3, 6, 8, 10のみ補助電源(±20A/±10V)を接続

n S補助コイル電源 (ステアリング磁⽯として使⽤)– S1,3,5,6,8,10のみ補助コイルを巻いてある– ポールそれぞれに個別電源(±16A/±8V)を接続– 六極の補助コイル出⼒組み合わせて⽔平/垂直のステアリン
グ磁⽯として使⽤※ 短直線部上下流端には単独STR磁⽯があり、それぞれ±16A/±8V電源が接続※ 1セルあたり1台のSKEW四極磁⽯があり、それぞれ±20A/±10V電源が接続※ 本電磁石電源開発についての詳細はTHOB14(8/31 17:10~)で講演されます
2023年8⽉31⽇

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

24

7. 基準点の変動 （内外周方向）
2022年5月に取得した基準点のデータ(据付時に使用)を基準とし、2022年7月（暖色系)と2023年3月の最終測量(寒色系)に取得した基準点の変動の内外周方向を以下に示す。
• 概ね基準点の変動量（寒色系）とfiducialの並びは合っている。
MRは外周壁に取り付けた基準点• 夏には基準点が外周側に、冬には内周側に変動しているように見える。

MCは内周壁に取り付けた基準点
GCは床基準点0.450
基準点の変動0.350

MR_0711MR_0321

0.250

MC_0711
MC_0321

GC_0711
GC_0321dR [mm]

0.150
0.050
-0.050-0.150-0.250-0.350-0.450 050

100150200250

300

350

200250300350

S方向距離 [m]⊿x [mm]0.450

Fiducialの並び
0.350
0.250
0.150
0.050
-0.050-0.150050

100150-0.250-0.350-0.450path length [m]電磁⽯電源の通電試験
n 偏向電磁⽯⽤U650電源– トランスコア温度が24時間経過後 96degC– 電流値は⼗分安定

n その他電源Trend
Raw Data

613.6610 points Running Average– 補助電源/メイン電源間でのカップルがあり、P/Iパラメータでリップルを調整済み

Current (A)613.65613.64613.63613.62
07/2300:00

07/2400:00

Date

07/2500:00

Hist

Events/1.25mA103※ 温度データ測定は⼯藤電機より2023年8⽉31⽇

10210

1613.62

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

613.63613.64Current (A)613.65613.6626

電磁⽯電源の制御について
n 【課題】制御の同時性– 蓄積電⼦ビームを補正する際に、リング⼀周分の電源を⼀⻫に動かしたい– 偏向/四極/六極磁⽯• メインコイル⽤電源がそれぞれ直列接続されているので同時に反映される– 四極補助コイル/ステアリング• それぞれ別個の電源が接続されているので, 制御命令を送った順に反映されてしまう

n 【対策】Strobeコマンドを同じにする

異なる制御ホスト間での電流出⼒変更状態を確認– NanoTerasuではSP8と同様にMQTTを⽤いた
SVOC形式での制御系を⽤いている[※1]– ⼩型電源⽤のStrobeコマンドを同じにすることで各電源の同時性を実現– <20ms[※2]での同時性を確認できた[※ 1] T.Sugimoto, et al. "STATUS OF THE CONTROL SYSTEM FOR FULLYINTEGRATED SACLA/SPring-8 ACCELERATOR COMPLEX AND NEW 3GeV LIGHT
SOURCE BEING CONSTRUCTED AT TOHOKU, JAPAN." Proc. IPAC’18. 2018.
[※ 2] 電源制御ユニットと出力ユニット間をCAN通信で繋いでいるため、通信規格上最大で20msの差が生じうる
2023年8⽉31⽇

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

27

DCセプタム磁⽯ / 電源
n 300V/20A電源×1台でDCセプタム磁⽯2台を直列接続
n DCセプタム磁⽯開発については
PASJ2021[※]で発表済み[※] 山口博史, et al. "次世代放射光源のためのDCセプタム電磁石開発." PASJ2021 MOOB02..

DCセプタム#1DCセプタム#2
2023年8⽉31⽇

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

28

パルスセプタム磁⽯ | キッカー磁⽯
パーマロイ磁気シールド

セプタム壁
0.5 mmCu RF シールド

磁極間隔2mm

キッカー磁⽯CT

バンプビーム

磁極幅7 mm

ビーム出口

セラミックチェンバー
ブスバー

ダンパー抵抗入射ビーム
バンプビーム
真空容器

RFシールドセプタム磁石部⽂部科学省の科学技術試験研究委託事業「⾰新的次世代リング加速器ビーム⼊射部の開発」
2023年8⽉31⽇

n キッカー磁⽯はケイ素鋼板とポリイミドの多重積層構造
Fukami, K., et al. "Iron lamination and interlaminar insulation for high-frequency pulsed magnets." Review of Scientific Instruments 93.2 (2022).

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

29

パルス電源[※]n IGBTを⽤いた49kV/1.4kA (3.3μs幅) パルス電源
n 1台あたり2出⼒;– 1台のキッカー電源で2台のキッカー磁⽯に同じ出⼒波形を送る– 2台のキッカー電源の出⼒調整で、透明⼊射を実現する[※ ]Inagaki, Takahiro, et al. "Development of a solid-state pulse– 電流安定度 <0.2%pp

generator driving kicker magnets for a novel injection system of a low
emittance storage ring." Proc. IPAC’18. 2018.

キッカー電源#2

パルスセプタム電源
2023年8⽉31⽇

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

キッカー電源#130

③ キッカー電源2 (キッカー磁⽯3,4)のタイミング

1.4kA

パルス電源電流波形~3μs

キッカー磁⽯はリング外⽅向へキックする(資料下⽅向, x軸プラス⽅向)

パルスセプタム
BPM-INJ02

BPM-INJ03電⼦ビーム

キッカー磁⽯3
電⼦ビームとキッカー磁⽯のタイミングが合っている時に最も外周側に蹴られる。
タイミングを変更して⾏った時に、BPMの位置は、電流波形と同じサインカーブになる
2023年8⽉31⽇

キッカー磁⽯4

BPM-INJ01

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

31

ツインキッカー
パルス電源

••

•

磁極間隔28mm、全長300mm程度。積分磁場0.06Tmを生成。
コイルは2ターン/磁極で、全4ターン。 ピーク電流1.6kA、パルス幅3µs。
厚さ0.1mmの電磁鋼板を0.025mmの絶縁カプトンシートを間に挟みながら2000枚程度積層。薄い電磁鋼板により渦電流を抑制し、同構造積層で、同じ磁場性能のキッカー磁石を2台製作。同じロットの積層鋼板でないとキッカーの磁場特性が異なる。

55kV
充電器
電圧j変動
0.01%

HV
ケーブル

IGBTs
主キャパシタ65nF

キッカー1

HVダイオード
キッカー2
可変インダクタ

1台のパルス電源で2台のツインキッカーを駆動する。

パラメータ値

磁極間隔
磁極長28mm236mm

積分磁場0.066Tm

コイルターン数

2023年8⽉31⽇

2Turns/Pole

ピーク電流

1600A

パルス波形

Half sine

パルス幅3μsec

ピーク電圧22.2kV

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

32

インダクタンス周波数依存性

ツインキッカー•

パルス磁場中に金属真空容器を入れると渦電流が発生して、磁場が打ち消され、熱も発生するのでセラミック真空容器を用いる。電子ビームから見て真空容器が金属として連続的に繋がっていないと、電子ビームの帯びる電界が影響を受け、ビームに不安定性を与える。そこで、セラミック内面に3µmのTiコーティングを一様に施す。
将来的には、線状のコーティングとして、さらに渦電流の影響を低減する計画。

•2台のキッカーのインダクタンス周波数依存性測定（LCRメータ）
パルス磁場の時間波形の比較を行い、0.1%以下の磁場性能が可能であることを実証

Difference (#2－#1)/#1 [%]パルス磁場の時間波形比較0.50.40.3
0.20.10.0－0.1－0.2－0.3－0.4－0.5

2 0E-05— Kicker #1— Difference #2-#1

1 5E-05

1 0E-05

5 0E-00 0E+00-05-5 0E-0±0.1%-1 0E-05

Preliminary-1 5E-05-2 0E-05

024

6810Time(µs)
2023年8⽉31⽇

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

33

真空封止パルスセプタム•

厚さ0.1mmの電磁鋼板を積層して長さ500mmの磁極を形成。
コイルは1ターン。
磁極間隔は2mm（500mmに渡って）。
セプタム壁近傍まで磁場を一様にして、入射ビームを壁に近づけるため。

•

磁極とコイルを一体にして、真空容器の中に入れ、3×10-8Pa以下を実現

2023年8⽉31⽇

パラメータ値

磁極間隔
磁極長2mm500mm

ピーク磁場

1.4 T

コイルターン数

1Turn

ピーク電流

2300A

パルス波形

Half sine

パルス幅10μsec

セプタム壁0.5 mm

磁気シールド厚み<0.5 mm

リング漏洩磁場<10-5 Tm

真空度

<10-7 Pa⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

34

真空封止パルスセプタム•

真空封止パルスセプタム内部の写真など。

•

製作は「革新的次世代リング加速器ビーム入射部の開発」による。

2023年8⽉31⽇

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

35

真空封止パルスセプタム
セプタム壁厚さ0.5mmを実現。磁気シールドの厚みと設置誤差も含めて1mm以下を実現。

•

セプタム壁の材質は銅。壁部分に生じるパルス磁場を打ち消すように渦電流が流れる。

•

パルス磁場と誘導電流による磁場でキャンセルしきれない蓄積軌道上の磁場をパーマロイ磁気シールドにより遮蔽し、漏洩磁場 <10-5 Tmを実現。

coilarchesm)
Thin.16m(t=0Magnetic poleX•Septum
magnet•x方向

Septumplate

Ceramic guideideic GumarCem)(t=1m

一様磁場 <±0.2%が得られている。セプタム壁から2mmでは充分使える。

ビーム出口
入射ビーム
バンプビーム
真空容器

RFシールドパルス磁場測定結果
セプタム壁
0.5 mm

セプタム磁石部Cu RF シールドバンプビーム

磁極間隔2mm
入射

磁極幅
7 mm
2023年8⽉31⽇

ビームフランジ

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

xNormalized magnetic field (a.u.)

パーマロイ磁気シールド

1.01

meas.
1.00

calc.
0.990

セプタム壁

123x [mm]45366

DCセプタム𝑧𝑥382 mm

Shield2023年8⽉31⽇

パラメータ値•

セプタム壁厚さ5mm。材質は磁極と同じ鉄。

磁極間隔
磁極長10mm382mm•

漏れ磁場を鉄に吸わせて蓄積軌道上に漏らさない。

積分磁場0.48Tm

コイルターン数

23Turns/Pole

起磁力5332AT/Pole
⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

37

パルス電源（⽇本⾼周波）

キッカー

セプタム

2023年8⽉31⽇

キッカー

電源原理概要：• 充電電源で主キャパシタに最大+55kVまで充電。
• 14直列トランジスタ（IGBT）を導通させ、正弦半波パルス電流出力。
• 80段ダイオード列後、分岐して高電圧同軸ケーブルでキッカー電磁石を励磁。
• キッカー電磁石と並列のダンパー抵抗でインピーダンス整合。
• 電磁石パルス電流調整のため可変インダクタを設置。

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

38

キッカー磁⽯の電流波形相似性確認
キッカー磁⽯#1/#2/#3/#4の⽣波形

n 実際にパルス電源からキッカー磁⽯への通電を⾏い、電流波形を確認
n 定格49kV-1.4kA

1.5Charge (A)1.4kA– 0.1%精度の相似性のためには波形のズレは1.4A以内である必要がある– キッカー磁⽯#4だけズレが⼤きいので電源内でインダクタンスの再微調整の余地有り– タイミングはトリガー発⾏で調整可能

13.3μs0.50−50−48−46
Time (µ s)−44−42キッカー磁⽯#1と#2/#3/#4との差分
Difference from kicker-1 (A)n 電源に⽤いているダイオード(CKE社製CKF12P100D1D)が廃盤– 世の中の在庫をかき集めて予備品のこり45個– 課題︔• 代替品(オリジン電⼦社製 USR100PP12A)試験• 実際に使⽤して同じ波形出⼒できるかを今後調査

200
Kicker1
Kicker2
Kicker3−20Kicker4−50−48−46
Time (µ s)−44−42※ 波形データは2023年11⽉時点でのものであり、現在調整中です
2023年8⽉31⽇

⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

39

⼊射部機器配置の図
INJECTION BEAM
(From Beam Transport Line)sKickerMagnet 1

KickerMagnet 2

Kicker Pulse Power
Supply 1
2023年8⽉31⽇

Septum Pulse Power
Supply⽇本加速器学会第20回年会, THOB11, ⼩原脩平

Normal Cell BPM

Pulse Septum Magnet

INJ-BPM3

STORED BEAM

INJ-BPM2

DC Septum
Magnet 2x

INJ-BPM1

DC Septum
Magnet 1

KickerMagnet 3Kicker
Magnet 4

Kicker Pulse Power
Supply 240