Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 20 - 22, 2005, Tosu Japan)

OPTIMIZATION OF A BUNCH COMPRESSOR AT KEK-ERL TESTFACILITY
Miho Shimada, Kaoru Yokoya, Tsuyoshi Suwada , Atsushi Enomoto
Accelerator Laboratory, High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
Abstract
To produce high brightness synchrotron radiation generated from an energy recovery linac, it is necessary to shorten
the bunch length and reduce the emittance of electron beam. However, the energy loss and the emittance growth caused
by a coherent synchrotron radiation (CSR) at a bending section are enormous for the short bunch with a length of a few
10-micro meters especially at a low energy. Therefore the bunch length is compressed gradually in the ARC after
accelerating the beam up to the full energy. The beam optics for a bunch compression was optimized to suppress thegrowth of a transverse emittance and a energy spread.

KEK-ERL Test Facilityにおけるバンチ圧縮の最適化∆z ≡ R56 ∆E E

１．はじめに次世代放射光加速器として、エネルギー回収型線形加速器 (Energy Recovery Linac, ERL) が生物、物理、医学などの幅広い分野から求められている。
KEKでは放射光将来計画の一つとして、ERLの可能性を実証するために200MeVの試験加速器の設計を進めている。ERLの特徴は、硬X線領域において短パルス、超高輝度放射光を安定に供給することにある。このような放射光を実現するには、電子ビームの短パルス化と低エミッタンス化が要求されるが、２つのパラメータを同時に実現することは容易ではない。本報告では、低エミッタンス電子ビームを短パルス化するための周回部におけるバンチ圧縮スキームと、シミュレーション計算に基づき最適なスキームを解析したので、報告する。

２．バンチ圧縮の原理
2.1 電子ビームのエミッタンス(2)

ここで、 R56 は、エネルギー分散関数を軌道の曲率ρで割ったものを周回部全体にわたる積分で以下のように定義される。
ηdsρ
ARC

R56 = ∫(3)

ここで、バンチ圧縮はR56 を負の値にすることで行われる。Eは基準粒子のエネルギーであり、⊿zおよび⊿Eは、基準粒子に対する周回部前後でのエネルギーおよびz座標の変化量である。主線形加速器では、加速位相をずらし、バンチ前方が高エネルギーになるよう勾配をつける。周回部では、エネルギー差は軌道長の差に変換され、バンチ前方（後方）が遅れる（進む）ためバンチ長が圧縮される。理論上は、エネルギー幅を固定すると、R56 の絶対値が小さいほど短いバンチを得ることができる。
ここで注意したいことは、⊿E/Eが大きい場所では⊿zが⊿E/Eの高次の項を含むため、(2)式示すバンチ圧縮が適切に行われない場合である。

KEK-ERLでは、硬Ｘ線(λ=0.1nm)を回折限界で発生させることを目標とする。これを実現する電子
2.3 CSRによるエミッタンス増加
ビームの規格化エミッタンスは、 εx=0.1mm⋅mradがバンチ内のエネルギー幅を大きくする原因のひと要求される。ERL周回部では、規格化エミッタンスつにCoherent Synchrotron Radiation (CSR) がある。
は主にエネルギー広がりが原因で増加する。これは、バンチ内の電子が放射光を放射する際、その波長がディスパージョンがゼロでない周回部を通過するこ
バンチ長以上であれば、それぞれの光が干渉しあいとにより、エネルギー幅に依存してバンチは横方向増幅する。バンチが、偏向磁石を通過するとき、バに広がってしまうからで、周回部出口ではディスンチ後方から放出したCSRは、偏向されずに直線的パージョンが用いる閉じる光学系が必要である。に進行するためバンチ前方に衝突する。この現象により、バンチ前方はエネルギーを失い、一方、後方2.2 周回部におけるバンチ圧縮
ではエネルギーを得ることになり、バンチ内のエネERLでは、一般に周回部でバンチ圧縮を行う。バルギー分布を大きく変えてしまうことになる。電荷
ンチ圧縮の大きさは、式(2)に示すように、エネルqのバンチがz方向に分散σzのガウス分布とすると、ギー広がりとR56 が最適化すべきパラメータとなる。
周回部(半径ρ)を通過する前後のエネルギー差は、-495-

Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 20 - 22, 2005, Tosu Japan)(4)∆E CSR ∝ qρ 1 3σ z− 4 3で与えられる。この式により周回部の設計では、できるだけ周回半径を大きくすることが望ましい。の強度を変更することで、R56 を制御することができる。

３．ERL Test Facilityの基本設計
3.1 全体設計
図1にERL Test Facilityの基本的な光学設計を、表１に主なパラメータを示す。入射部から出射した電子ビーム(5MeV, 規格化エミッタンス0.1mm⋅mrad)が主線形加速器に合流するものとし、TESLA型(rf周波数1.3GHz)の超伝導加速空洞により、205MeV(加速勾配20MV/m)まで加速する。周回部を通過した後の直線部(13m)でUV放射光を取り出し、その後再び帰還周回部を通り主線形加速器に戻る。このとき、加速 RF に 対 し 、 位 相 π だ け ず ら し て 帰 還 さ せ る とビームのエネルギーは空洞に蓄積され、次の入射ビームにより回収される。

図2： 周回部のデザイン

４．シミュレーションによるバンチ圧縮の最適化
周回部中央の偏向磁石の両側で光学系が左右対称となるため、7つのQ磁石の強度をコントロールし、R56を連続的に0から-0.5まで変化させた。図3に示す
ように、R56 成分と中央の偏向磁石における分散関数の関係は単調増加となる。

図1：ERL Test Facility Design0.25205
GeV
ビーム・エネルギー
5GeV
入射エネルギー
1.3GHz加速周波数20MV/m
加速勾配
100mA
最大電流
77pC
最大バンチ電荷
0.1mm mrad
規格化エミッタンス
エネルギー幅 (rms)5×10-5psec
バンチ長 (rms)
1〜0.1
R56m
-0.5〜0117.98m
周長表１：ERL Test Facility のDesign 値0.15.5.45-0.4-0-0.3.35-0.25-0.2-0.1.15-0-0-0-0圧

縮なし.05

R560.2

η x (m)0.1
0.05
0-0.05-0.1-0.15-0.2

図3: 周回部中央の分散関数ηxとR56との関係

64

周回部の基本構成を図２に示す。周回部は長さ0.5m、曲角90度の偏向磁石を4台、そのうち中央の2つを並べてTriple Bend Achromat (TBA)を構成する。
偏向磁石に挟まれた部分は四極電磁石(Q磁石)のトリプレットを、周回部の入出口にはそれぞれダブレットを配置した。TBAを選択した理由は、ディスパージョン、バンチ長等のビームパラメータの制御が容易であること、エミッタンス劣化が生じにくい光学系を構成できるからである。ダブレットの配置は、周回部入出口での光学的整合を取るためには必要である。このように、バンチ圧縮は、周回部両端のオプティクスを変更することなく、トリプレット

2-496--1

k 値 (m )3.2 周回部の設計

QF2
QF10
圧縮なし

-0.1-0.2-0.3-0.4-2-4-6-8R56

図4 : 図2中のQF1とQF2のk値の変化-0.5

Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 30th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 20 - 22, 2005, Tosu Japan)

EmitpnX (mm mrad)

SigZ (mm)[4] 横谷馨 「ERL入門」高エネルギー加速器研究機構
また、7つのQ磁石のうち、k値が大きく変化した
OHO’03, 2003
QF1とQF2の2つの例を図3に示す。R56=-0.15でQF1が極小値を持ち、ここでARC中央の分散関数の符号0.4が変わっている。
0.35
バンチ圧縮の効果を調べるために、各R56 成分に対し、周回後の直線部におけるσzおよびεnxを調べた。
0.3
図5および図6にCSRの影響を入れた場合と入れない0.25場合の結果を示す。この図から明らかにCSRによりCSRありバンチ圧縮の効果が制限されており、εnxが増加してCSRなし
0.2
CSRあり（圧縮なし）いることがわかる。σzはR56が-0.15〜-0.2の範囲で最0.15
CSRなし(圧縮なし）
小値をとり、それ以下ではバンチ圧縮の効果が小さ0.1
い。R56=-0.05, -0.1では、バンチ圧縮のためのエネルギーの広がりを大きな値にしたために、式(2)に示0.05
すような線形成が保たれず、バンチ圧縮がうまくい0かない。図6では、CSRの有無にかかわらず、R56=-0.05-0.15-0.25-0.35-0.450.05でεnxが増加している。これも、先に述べたよう
R56に⊿E/Eの高次の項のために、すべてのバンチに対
図5： R56と13m直線部のσzの関係してAchromaticにすることができず、周回部出口の位相空間に広がりが発生したことが原因である。ま25
CSRあり
た、R56=-0.15では、CSRの影響でεnxが増加している。
CSRなし
これは、周回部内のバンチ長が十分短かくなりCSR
CSRあり（圧縮なし）
20の効果が大きいことや、もともと大きくしたエネル
CSRなし(圧縮なし）
ギーの広がりがCSRによってさらに広がったこと、
15
周回部出口直後のDefocus Q磁石が<x2>および<x’2>を広げてしまったことが挙げられる。
10
直線部のεnxが0.2mm⋅mrad以下になるようにバンチの電荷を調整した結果をFig.7に示す。CSRがあるときは、0.77pCまで下げると目的とするεnxが得られる5ことがわかった。
0５．結論

-0.05

全体のオプティクスを変更することなく周回部のR56 成分を制御することにより、バンチ圧縮の最適化を行った。R56 成分が小さすぎるときは、バンチ圧縮を適切に行うことが困難であり、オプティクスを合わせるために強くしたQ磁石が悪影響を及ぼす。
直線部の σz および εnx をともに小さくするにはR56が0.2〜-0.25の範囲が適切であることが分かった。一方、目標とするεnxを得るにはバンチあたりの電荷量を設計地の1/100まで(0.77pC)まで下げる必要がある。

-0.25
R56-0.35-0.45

図6： R56と13m直線部のεnxの関係-0.1-0.2

R56-0.3-0.4-0.5

emitpnX (mm mmrad)

100

参考文献
[1] 諏訪田剛、飯田厚夫編「放射光将来計画検討報告」高エ ネ ル ギ ー 加 速 器 研 究 機 構 , 2003, URL:
http://pfwww.kek.jp[2] S. M. Gruner and M. Tigner, eds., “Study for a proposed
Phase I Energy Recovery Linac (ERL) Synchrotron Light
Source at Cornell University”, CHESS Technical Memo01-003, JLAB-ACT-01-04, 2001
[3] E. Kim et al, “Design study for a 205 MeV Energy
Recovery Linac Test Facility at the KEK”,-0.15

100.77pC
7.7pC
77pC
limit

10.1

図7： 電荷量を変化したときのR56とと13m直線部のεnxの関係-497-