Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 WEP024

PF-AR における 5 GeV トップアップ運転実現の検討 (2)REALIZATION OF TOP-UP OPERATION OF PF-AR WITH 5 GeV (2)東 直 ∗,A) , 満田 史織 A) , 長橋 進也 A) , 原田 健太郎 A) , 野上 隆史 A)
内山 隆司 A) , 中村 典雄 A) , 本田 融 A) , 佐藤 政則 A) , 岡安 雄一 A) , 榎本 嘉範 A)

Nao Higashi∗ ,A) , Chikaori Mitsuda A) , Shinya Nagahashi A) , Kentaro Harada A) , Takashi Nogami A)
Takashi Uchiyama A) , Norio Nakamura A) , Tohru Honda A) , Masanori Satoh A) , Yuichi Okayasu A) , Yoshinori Enomoto A)A)KEKAbstract
High Energy Accelerator Research Organization (KEK) has two light sources, Photon Factory (PF) with 2.5 GeV andPhoton Factory Advanced Ring (PF-AR) with 6.5 GeV. The beam transport line (BT) that directly supplies electrons from
Linac to PF-AR was constructed in 2017, and since then the simultaneous top-up operation of PF and PF-AR has been
carried out. In 2019, PF-AR has started the 5 GeV operation in order to secure the operation time under the reduction of
the operation budget. However, there is a common DC bending magnet that kicks both electron beam of PF and PF-AR at
the intersection of BTs. Due to this, it becomes impossible to realize both design orbits simultaneously when the energyof PF-AR is reduced to 5 GeV. In the annual meeting in 2020, we presented some proposals to solve this problem [1].
Based on these, one was budgeted last year (FY2021), and the phase 1 modiﬁcation of PFBT was conducted in thissummer (FY2022). In this presentation, we will explain the details of the phase 1 modiﬁcation and the phase 1.5 andphase 2 proposal that may be realized in the near future.

1.

これまでの経緯

大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構(KEK) には, Photon Factory (PF) と Photon Factory Advanced Ring (PF-AR) の 2 つの光源加速器があり, 周回エネルギーはそれぞれ 2.5 GeV と 6.5 GeV となっている.
2017 年, 同じ KEK つくばキャンパス内にある KEKBが SuperKEKB へと upgrade されるのに伴い, それまでKEKB のビーム輸送路 (BT) に寄生していた PF-AR のBT が独立し, 周回エネルギーと同じ 6.5 GeV で直接入射することが可能となった (Fig. 1) [2]. これによって, PFと PF-AR の同時 top-up 運転が可能となった.
一方, 運営費交付金削減の影響は年々大きくなり, 周回エネルギーが相対的に高い PF-AR ではその運転時間の確保がより大きな課題となっていた. これを解決するため, 周回エネルギーを従来の 6.5 GeV から一部運転を5 GeV に下げて運転することが提案され, 2019 年度よりこれが実施されることとなった.
周回エネルギーを下げることによってビームラインに供給される X 線の波長域と強度について多少の変更が生じた. これについては 6.5 GeV と 5 GeV の運転時間をおおよそ半分ずつにするということで影響を最小限にし,利用者側との合意が取られた.
しかしもう一つ, 2017 年より実現されてきた PF とPF-AR の同時 top-up 運転について, PF-AR が 5 GeV 運転を採用する際には成立しないと言う課題が浮上した.
2017 年から運用が開始された ARBT は 6.5 GeV のエネルギーを元に設計されており, PFBT と ARBT の交差点には共通 DC 偏向電磁石が存在する (Fig. 2). 同じ磁場強度を 2.5 GeV と 6.5 GeV, それぞれのエネルギーを持った電子ビームが通過することで, それぞれの設計角度で蹴られる, という運用のため, PF-AR のエネルギー∗ nao.higashi@kek.jp

を 6.5 GeV から 5 GeV に変更した場合, この共通 DC 偏向電磁石下流より設計軌道 (ダクト中心) からの水平方向の軌道差 dx が発生することとなる. これを回避し, かつなるべく各放射光リングの蓄積電流値の減少を抑制するため, 疑似 top-up 運転というものが採用された [3]. これは PF と PF-AR それぞれに 150 秒と 90 秒の入射時間を与え, PF-AR 入射時には共通 DC 偏向電磁石と最上流のパルス偏向電磁石の励磁電流値を 5 GeV に合わせて運用することで, 擬似的に同時 top-up 運転を実現するというものである. 2019 年にこの疑似 top-up 運転が開始され, 現在もなお有効な手段として機能している.

Figure 1: A new direct beam transport line for PF-AR. The
operation was started in 2017.

Figure 2: There is a common DC bending magnet BPFS
at the intersection of PFBT and ARBT.

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PASJ2022 WEP024(a) Old version presented in 2020.

(b) New version in 2022.

Figure 3: 4HS proposal’s optics.

2.

同時 TOP-UP 運転実現のための検討

疑似 top-up 運転の実現により, PF, PF-AR の蓄積電流値は規定の値をほぼ維持することが可能となった. しかし以下のような観点から, 引き続き真の top-up 運転が望まれている.
・運転スケジュールの縛り

PF の一部運転期間中に実施される, 高いバンチ電荷を持った single bunch と通常の multi bunch を共存させた
Hybrid 運転においてはビーム寿命の短さから真の top-up運転が望ましく, 現在 PF が Hybrid 運転する際には同時top-up 運転が可能である 6.5 GeV での運転が PF-AR で実施されていなくてはならない.
・PF-AR テストビームライン [4] による影響
現在試験運用中の素粒子・原子核実験用検出器開発のための照射テストビームラインは, PF-AR の電子バンチ周回軌道近傍にワイヤ標的を設置することで目的の照射用ビームを生成する. PF-AR そのもののユーザー運転を阻害しないような設計にはなるが, 万が一の beaminstability の発生や beam loss, ビーム寿命急落が発生するような場合には真の Top-up 運転が可能であると, 柔軟な対応ができる.
・low emittance optics による低寿命化対策

PF-AR では optics の再設計による低エミッタンス化を目指す study が進んでいる. Low emittance optics が実現した場合, ビーム寿命が短くなる可能性あり, その場合には 5 GeV においても真の top-up 運転が望まれる.
真の top-up 運転を実現するために, まずは ARBT のoptics 変更のみで共通 DC 偏向電磁石下流から始まる軌道差を吸収できるか検討したが不可能と判明した. 次に,
共通 DC 偏向電磁石の磁場強度を通常の PFBT 2.5 GeV,ARBT 6.5 GeV の設定からやや弱めて, ARBT 5 GeV を優先的に成立させ, PFBT 側で発生する軌道差を opticsで吸収できるか検討した. しかしこれも不可能であると判明したため, optics の変更だけではなく, ハードウェアの改造, 具体的には DC ステアリング電磁石や pulse 電磁石を PFBT に追加するような検討を行った. 2020 年の報告 [1] では PFBT に 3 つないしは 4 つのステアリン
グ電磁石を追加することで余剰な軌道を吸収する 4HS案と, 余剰軌道を発生させる共通 DC 偏向電磁石, BPFSを pulse 偏向電磁石で挟むサンドイッチ案の 2 つを提案した.

3.

4HS 案の採択と再検討

2021 年度, 先の 2 つの提案のうち, コスト等を検討した結果 4HS 案が実行に移されることとなった. Fig. 3 に
4HS 案の optics を示す. 2020 年報告の提案では共通 DC偏向電磁石 BPFS の下流に既設の 4 極電磁石, QPFA1,2 の間に 3 台のステアリング電磁石を設置することを検討していた (Fig. 3a). 最上流の HS1 は既に PFBT に設置されており, 2019 年に実施したビームを使った測定では最大で 0.7 mrad ほどビームを蹴ることができるということを確認している. HS2, 3, 4 は新たに設置する必要がある水平ステアリング電磁石で, 実際のハードウェアの制約は無視して, 2 つの四極電磁石の間をおおよそ等間隔にシミュレーション上で配置し, 計算した.
今回改めて 4HS 案を検討した結果, 当該部の真空機器等の移設や搬入経路の確保, これまで片側 3σ として計算していたビームが占める空間を 5σ に広げたことなどを反映させ, BPFS 下流の QPFA1 を下流に移設し, それによってできた空間に 3 台のステアリング電磁石を設置する案とした (Fig. 3b).

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Figure 4: Magnetic ﬁled measurement of a horizontal
steering magnet, newly manufactured this time.
Figure 6: Installation of a newly manufactured plane duct
into the new horizontal steering magnet.

Figure 5: One example of the mapping result of the magnetic ﬁeld measurement with a Hall probe.

4.

Figure 7: A change in PFBT. QPFA1 was moved downstream, and three horizontal steering magnet were installed.

2022 年夏の実施内容 (phase1)

PF-AR 5 GeV 真 top-up 化改造は現在, phase 1, 1.5, 2の 3 段階で実施する予定となっており, 今夏 (2022 年夏)は phase 1 の改造を実施した.
水平ステアリング電磁石は phase 1 では新たに 3 台を新規に設置する必要があった (HD2, 3, 4). HD1 については既設ではあるが, 蹴り角に余裕がないため, phase 1.5
では HD2, 3, 4 と同等の蹴り角を持つものと置き換えを予定している. 従って今回は同じ蹴り角を持つ水平ステアリング電磁石を 4 台製作した. PFBT の限られたスペースで十分な蹴り角を実現するために, 比較的短い gap長を採用した (Fig. 4 ). 製作した電磁石磁場測定結果の 1
例を Fig. 5 に示す. また, この短い gap 長に合わせ, かつ,発生する水平方向の軌道差を十分に受けきれるような扁平ダクトを製作, インストールした (Fig. 6).
元の案では QPFA1, 2, 2 つの 4 極電磁石の間に等間隔に 3 つの水平ステアリング電磁石を配置していたが, 当該部の前には搬入口があり, ここに電磁石などの重量物を設置するのは撤去, 再設置, アライメントの手間が増えることから望ましくない. そのため, QPFA1 を下流に移設し, HD2, 3, 4 も ARBT に隠れるよう配置, 搬入口前は真空ダクトのみになるように配置した (Fig. 7).
Phase 1 の改造については次年度の年会で改めて詳しく報告する予定である.

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5.

COMMISSIONING PROCEDURE

2022 年秋から, 当該改造部を使用したコミッショニングを実施予定である. ARBT, PFBT 共通の電磁石は共通
DC 偏向電磁石 BPFS のみであるため, まずは ARBTの輸送を確立し, BPFS の磁場強度を決定 (Fig. 8), その後 PFBT の軌道を決定する. PFBT と ARBT は BT 最上流のパルス偏向電磁石で分離するが, 振幅はそのままに,パルス毎の位相 (delay) を制御することによって, 各 BTへの蹴り角を実効的に調整する (Fig. 9).

6.

今後の計画

今夏から今秋にかけて, phase 1 を実施しているところであるが, 今後 phase 1.5, 2 と, さらなるビーム運転の安定化を目指した改造を実施する予定である (Fig. 9).

Figure 8: A new optics of ARBT in 5 GeV.

phase 1.5
Phase 1 では新規にインストールする水平ステアリン
グが 3 台であったが, 既設の水平ステアリング電磁石“HD1” は蹴り角が相対的に弱い. 今回新たに製作した水平ステアリング電磁石の 4 台目を既設のものと入れ替えることで, ビーム運転の安定化が期待できる. 新規水平ステアリング電磁石をインストールする際には, phase 1の時と同様にステアリング電磁石のギャップに合わせた扁平ダクトを新規に製作, インストールする必要がある.
Phase 1.5 は今年度中の実施を予定としている.
phase 2Phase 1, 1.5 の optics は ARBT, PFBT 共にダクト中心からずれた軌道を成立させる必要があり, beam tuning には複雑さが残されている. これをより簡便にするためには, 痛み分けをするのではなく, PFBT か ARBT どちらかの軌道を従来通りのダクト中心とし, 調整する BT を残りのどちらかとする, という方式が考えられる. Phase2 では ARBT を 5 GeV として設定することでダクト中心を輸送させ, PFBT 側で余剰軌道を吸収する. この場合, 共通 DC 偏向電磁石 BPFS の設定を ARBT 5 GeVに合わせるため, PFBT から見ると, BPFS で蹴られる量が phase 1, 1.5 に比べてさらに減り, 下流で発生する軌道差がより大きくなる. これを吸収するために, phase 1.5で置き換え予定の HD1 で事前に大きく蹴る必要がある(Fig. 10). これに合わせ, 現在 BPFS 前後に置かれた合流ダクトを, 上流側に拡張する必要がある. 現在, BPFS の磁場平坦性を考慮した詳細設計を実施しているところである.

Figure 9: Magnets that will be used in the beam commissioning and the modiﬁcation range in phase 1.5 and 2. Inphase 2, , the extension range of the merging duct may bechanged according to the detailed design in the future.

参考文献[1] 東直 他, “PF-AR 5 GeV におけるトップアップ運転実現の検討”, PASJ2020, WEPP62.
[2] 東直 他, “PF-AR 直接入射路の建設とコミッショニング”,
PASJ17, THOL10.
[3] 長 橋 進 也 他, “PF-AR に お け る 5 GeV 運 転 の 状 況”,
PASJ2020, THPP63.
[4] 本田融 他, “PF-AR の測定器開発テストビームライン建設計画”, PASJ2021, MOP049.

Figure 10: Phase 2 optics of PFBT. It has a large kick at
HD1 in advance in order to suppress the larger dx that occurs downstream of BPFS. This makes dx larger upstreamof BPFS, then the merging duct needs to be extended upstream of BPFS.

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