PF リング直線部増強―リング改造と立上げ状況
谷本育律
宮内洋司
本田 融
小林幸則
要

旨

高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所〒3050801 茨城県つくば市大穂 1
1

高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所〒3050801 茨城県つくば市大穂 1
1

高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所〒3050801 茨城県つくば市大穂 1
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高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所〒3050801 茨城県つくば市大穂 1
1

PF リングでは挿入光源ビームラインの増設やスクラップアンドビルドを推進する直線部増強計画が進められている。2005年度にこの計画の根幹をなす，直線部のラティス変更を伴う蓄積リングの改造が行われた。この改造により既存の挿入光源設置スペースが拡張され，また 4 つの直線部が新しく造り出された。改造の範囲はリングの約 3 分の 2におよび，真空ダクトとビームライン基幹チャンネルも全面的に更新された。新しくできた直線部は約1.4 m の短直線部であるが，この短い直線部を用いて短周期アンジュレータを光源とする X 線ビームラインの建設が可能となる。すでにリング改造と同時に一台目の短周期アンジュレータが設置され運用を開始している。リングのコミッショニングは2005
年10月18日に予定通り完了し，ユーザー運転を再開している。立上げ後の真空ダクトの涸れに伴うビーム寿命の回復も順調に推移している。

1. 直線部増強計画の概要
フ ォ ト ン  フ ァ ク ト リ ー の 2.5 GeV 電 子 蓄 積 リ ン グ（ PF リング）では 1982 年に放射光専用加速器として運転を開始して以来，たゆまぬ性能向上が続けられて来た。

1987 年と 1997 年の 2 度にわたるラティス改造1,2) によりビームエミッタンスが460 nm rad から36 nm rad まで改善された。特に 1997 年の高輝度化改造はリングの東西にあるアーク部で四極電磁石と六極電磁石の数を倍増する大きな改造であった。蓄積電流値も当初の 3 倍の450 mA まで増えた結果，偏向電磁石からの放射光輝度は当初の 2 桁以上にまで向上している。第 3 世代光源が主流の現在，PF リングの国際競争力をさらに高めるため PF リング直線部増強計画が立案された3)。

Fig. 1

直線部増強計画のためのリング改造は，既存直線部を大Reconstructed regions in the PF ring straight-sections upgrade project.

幅に延長して現有の挿入光源の更新の選択肢を拡大することと短直線部を新たに 4 か所作り出し X 線源となりうる
短周期アンジュレータの設置を可能にすることが目的であ線部の新設と直線部の大幅な延長を図った。これに伴ってる。

直線部にあるすべての真空ダクトと基幹チャンネルも新規

改造前の PF リングには南北 5 か所ずつ計10か所の直線に製作し更新された。

区間が設けられており，そのうち 2 か所が RF 空胴用， 1

Fig. 2 は改造を終えたリングの MPW ( Multi-pole Wig-

か所が電子ビーム入射用として利用され，残りの 7 か所

gler) #5 と周辺部の写真である。MPW #5 と手前の四極電にさまざまな挿入光源が設置されていた。挿入光源用の新磁石のダブレットとの間に約1.5 m のフリースペースがでたな直線スペースを創出するために， Fig. 1 に示した範囲

きている。他の直線部でも同様にフリースペースが確保さの南北直線部において四極電磁石を更新してラティス変更れており，各セクションの延長された長さを Table 1 にまを行った。高磁場勾配を持ち全長の短い新しい四極電磁石

とめてある。新設された 4 つの短直線部に加えて，2 か所を偏向電磁石にできるだけ近づけて配置することで，短直の RF 空胴の直線部にも1.5 m 程度のフリースペースがあ232 ● 放射光 July 2006 Vol.19 No.4
(C) 2006 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

トピックス ■ PF リング直線部増強―リング改造と立上げ状況る。空胴のある直線部も勘定に入れると挿入光源が設置可
能な直線部はビーム入射点を除く 13 か所に増えたことになる。これらすべての直線部に挿入光源が設置されれば，PF リングは偏向電磁石主体のリングから挿入光源主体のリングとなり，第 3 世代光源に匹敵する性能を有することとなる。
リングの改造作業は 2005 年 3 月から 9 月までの約 7 か月間の運転休止期間を設けて完了した4)。四極電磁石更新とオプティクス変更に対応するために四極電磁石電源も更新し増設された。その他セプタム電磁石の増強，補正電磁石の更新，増設などが実施された。ハードウエアの改造に
Fig. 2

Photograph around the MPW#5 after the ring reconstruction. A 1.5 m free space is created between the MPW#5 and a
new pair of quadrupole magnets.

あわせて加速器の制御システムも大幅に改良され，制御ネットワークの Gigabit 化や2006年度から始まる Top-Up 入
射へのインターロックシステムの対応，またネットワーク
分 散 型 の 制 御 シ ス テ ム で あ る EPICS( Ex-

perimental Physics and Industrial Control System) の本格的な導入などが行われた。
4 か所の短直線部では垂直方向のベータ関数
が0.4 m まで絞り込まれ，ギャップの狭い短周期アンジュレータの設置に最適化されている。

2005 年のリング改造時には BL 17 に一台目の短周期アンジュレータ（SGU#17）が設置され，すでに構造生物ビームラインとして運用されている。 Fig. 3 に SGU # 17 で得られる放射光スペ
クトルを既存の挿入光源のスペクトルと比較してプロットした。短周期アンジュレータを用いることによって，PF では今まで利用できなかった高輝度の X 線領域のスペクトルが得られFig. 3

Synchrotron radiation spectra of the short-gap undulator (SGU#17)
compared with those of other existing beamlines.

Table 1BL
BL02

直線部の長さ
改造前

改造後

5.0 m

8.9 m

ることがわかる。 2006 年には BL 3 に二台目の短周期アンジュレータを設置し，構造物性

Parameters of the straight-sections and the beamlines
現状の光源（直線部の用途)

中心角度

水平光取出角垂直光取出角(度)(mrad)(mrad)

Undulator#02

0

Polarization Switching（計画中)

0

±0.88
±1.8

±0.8
±0.6

Bending (RF cavities)

2.5

±18

0

BL18

Super Conducting Wiggler
Bending (RF cavities)

2.5

±0.58
±13

±1.8
－2.3, ＋5.1
±1.8

BL28

Elliptical U/MPW#28

0

±2.2

±1.0

±1.7
±2.1

±1.2
±0.75

±3
±8.5

±1
±0.9

－0.5, ＋18.5
±13.8

±1.8
±1.5

±2.4
±18

±1.4
±1.8

BL16
BL04

4.3 m

5.4 m

BL14

BL05

3.5 m

5.3 m

BL19
BL13

4.3 m

5.4 m

BL27

MPW#5

0

U#19

0

U/MPW#13
Bending (injection)0
1.2

Short Gap Undulator#03

0

BL15

Bending

2.5

BL17

Short Gap Undulator#17

0

BL01

Bending

2.5

BL03

0m

1.4 m

放射光 July 2006 Vol.19 No.4 ● 233ビームラインを建設する準備を進めている。
既存直線部の利用計画も何本か具体化しつつある。 5 m から 9 m へと大幅に延長された BL 16の長直線部には 2 台の円偏光アンジュレータを
タンデムに配置し，電子軌道を交流的に振ること
で偏光度を変える高速スイッチング可変偏光アン
ジュレータの設置が予定されている。
Fig. 42. 真空系の改造
2.1

Typical composition of the vacuum chambers after the reconstruction.

真空ビームダクトの改造

PF リングのビームダクトは，偏向電磁石部に設置される幅広型の B ダクトと，その上下流の四極電磁石部に設置される直線型の Q ダクト，および Q ダクトと挿入機器等を繋ぐ接続管の 3 種類に分けられる。 Fig. 4 に改造後の典型的な B ダクトと Q ダクトの構成を示す。
今回，南北直線部領域にあるビームダクトが，既存の挿入光源，高周波空胴，セプタム電磁石などを除いてすべて更新された。
直線部領域の B ダクト 12 台に関しては，放射光取出
しポートが新しい放射光ラインに対応したものとなり，放射光を切り分けてビームラインに導出するクロッチア
ブソーバも各ビームラインの仕様に合わせて更新された。
一方， Q ダクトは直線部四極電磁石のボア径が 110

mm から 70 mm にコンパクト化されたことにより，それに対応してスリム化された。 Fig. 5 に PF リングの Q
ダクト断面形状の推移を示す。新 Q ダクトのコンダク

Fig. 5

タンスは，建設当時のダクトの約 5 分の 1，1997年の高Cross-sections of the vacuum chamber for the quadruple
magnets shifted with the upgrade projects.

輝度化改造時のダクトの半分程度となっている。ビーム
位置モニターは Q ダクトと一体で製作され， Q ダクトにボタン電極を溶接した段階でテストベンチにて全数電気ビームダクトの脱ガス処理に関しては，これまでの PF的中心の校正が行われた。ビームダクトのインピーダンス

高輝度化改造（1997年）や PF AR 高度化改造（ 2001年）

を低減 するため に ICF タイプの フラン ジ接続部 においの場合と同様に放射光照射による光焼出しを主とし，ダクて，フランジ面に RF コンタクトチップを取り付けてギャ

ト設置後の現場ベーキングは実施しなかった5,6) 。また，

ップを平滑化する処置を徹底して施した。

今回の改造ではコミッショニング開始までに約 2 か月のビームダクトの材質は，ステンレス製の形状変換部，ベ

準備排気期間が確保できたこともあり，南直線部のダクト

ローズ，フランジなどの一部を除いて，改造前と同様，熱に対してのみプリベークを行い，運転開始後の南北直線部

伝導性や加工性に優れたアルミ合金とした。放射光の吸収の圧力変化を比較して，運転初期のガス放出率に対するプ

方法も改造前とほぼ同様で，アルミダクトの側面に放射光

リベークの効果を評価することとした。

を直射させる部分には冷却水チャンネルを設け，ステンレ
ス部は上流側にマスクを配置して放射光が照射されない構2.2

真空排気系の改造造とした。熱負荷が最も大きいのはクロッチアブソーバで直線部改造前の 2.5 GeV ， 450 mA 蓄積時の平均圧力はあり，上記のマスクなども含めて， 2.5 GeV ， 800 mA の

約 2×10－8 Pa であり，その時点でのビーム寿命は60 時間

ビームからの放射光熱負荷を条件として熱解析を行った。

以上であった。すなわち，毎朝 9 時に450 mA までビーム

この場合，偏向電磁石からの放射光パワー密度は 51 W /を入射し，翌朝 9 時の段階で320 mA 以上残っているといmrad に及ぶ。入熱条件の厳しいマスクやクロッチアブ

う長寿命を実現していた。改造前と同等なビーム寿命を実

ソーバは，従来の無酸素銅に代えて高温域での耐性に優れ現するためには，当然のことながら改造前と同等な排気性たアルミナ分散強化銅を採用し，温度上昇と発生応力を許能が要求される。ところが今回の改造では，四極電磁石の容値以下に抑えた。

コンパクト化によりダクトのコンダクタンスが小さくな

234 ● 放射光 July 2006 Vol.19 No.4

トピックス ■ PF リング直線部増強―リング改造と立上げ状況

真空インターロックシステムは PLC 内のシーケンスプ
ログラムによって構築されており，例えば真空リークなど
により設定値を超える圧力になった場合は，該当する区間の両端のゲートバルブが閉まり被害の拡大を防止するようになっている。またビーム蓄積中にこのような真空異常や真空系冷却水の流量異常が発生すれば，瞬時にビームスト
ッパを挿入してビームダンプし，機器を保護する。

3. ビームライン基幹チャンネルの改造
3.1
Fig. 6Block diagram of the vacuum control system based on the
EPICS/PLC.

基幹チャンネルの設計

四極電磁石はダブレットとして偏向電磁石に隣接して設置された。Fig. 4 に示したように改造後のビームラインは
挿入光源用の 0 度ラインの場合一つ目の四極電磁石をかすめ，偏向電磁石用の 2.5 度ラインの場合一つ目の四極電り，さらに四極電磁石の移設によって排気ポートの配置に磁石のヨークの中をすり抜け，二つ目の四極電磁石をかす

制約を受けることとなった。このため，直線部の実効排気

めて通るような位置関係になった。このため基幹チャンネ

速度は改造前よりも低下した。それに対して，偏向部におルの構成部品を四極電磁石との干渉を避けて 1 m 以上下

いては，偏向磁場を利用する分布型イオンポンプ（DIP）

流へ後退することになり，直線部改造範囲のビームライン

を B ダクトの更新に伴って全 28 台中12 台更新し，ポンプすべて（計 13 本）についてほとんど新設に近い改造を行セルと印加電圧を変更して排気速度を 1 台当たり約100 l/

った。

s から約 180 l / s へ改善させた。長い直線部やガス負荷の基幹チャンネル部の全長は 4 m から 5 m 程度である。

比較的大きいクロッチアブソーバ下流部を排気するための限られたスペースにゲートバルブ，水冷マスク，放射光ア

真空ポンプには，改造前と同様に，スパッタイオンポンプ

ブソーバ，ビームシャッタ，光ビーム位置モニタなどを収（ SIP ）とチタンサブリメーションポンプ（ TSP ）を設置

容し，またマルチポールウィグラや X 線アンジュレータした。これらの構成において，ビーム軌道に沿った圧力分

ラインではグラファイトフィルタ，Be 窓アセンブリも必布を 1 次元有限要素法シミュレーションにより計算し，要となる。改造前の基幹チャンネルにはリーク事故から蓄排気系の健全性を確認した（詳細は第 4 章参照）。

積 リ ン グ の 真 空 を 保 護 す る 目 的 で FCV ( Fast Closing

Valve) と ADL (Acoustic Delay Line) が設けられてい2.3

圧力測定と真空制御システムた。基幹部の全長を短縮する必要が生じた今回の改造でPF リングには全周にわたって約 50 台の B A ゲージがは，コストパフォーマンスの問題や低い事故率を勘案して設置され，リング内圧力の監視や圧力異常時のインターロ

FCV と ADL を割愛した。しかし真空保護の役目を少しックに利用されている。今回の改造では，フィラメントのでも基幹チャンネルに持たせるために，従来のような丸管長寿命化を図るため，すべての B A ゲージに対してフィではなく角管の真空配管を採用して真空コンダクタンスがラメント材をタングステンからトリアコートイリジウムへ極力小さくなるよう工夫した。さらに一部のラインでは，変更し，ゲージコントローラも全数更新した。また，すべビームシャッタのシャッターブロックを従来の厚さ 400ての B A ゲージに対してインストール前にテストベンチ

mm のステンレスから厚さ250 mm のタングステンに変更

において圧力校正を実施した。

することで省スペースを図った。

真空制御システムも操作性，信頼性およびメンテナンス

1997年の PF リング高輝度化改造時もリングの改造範囲性を向上させるため，本改造に先行して 2004 年夏に PLCにあるすべての基幹チャンネルで今回同様全面的な改造が(Programmable Logic Controller) と EPICS をベースとす行われた。この時の改造はアーク部であり，偏向電磁石をるシステムに更新した7) 。 Fig. 6 に真空制御システムのブ光源とするビームラインのみであった。したがって基幹チ

ロック図を示す。 EPICS は図中の「 Workstations 」層とャンネルは全ラインほぼ同一の仕様，単一モデルで対応可「 I / O Controllers 」層上で構築されたソフトウェア群であ能であった。しかし今回は挿入光源ビームラインが多数ある。リングの地下に分散して配置されている真空機器のコり，また光取出しパラメータも Table 1 に示したとおり様

ントローラ（「 Device Controllers 」層）は， EPICS との々であり，下流ビームラインの改変の有無も様々であっイ ン タ ー フ ェ イ ス で あ る PLC （「 Device Interfaces

た。したがって基幹チャンネルの設計はビームラインごと(CPU ）」層）を介して，X 端末（「User Interfaces 」層）に個別の対応を必要とした。基幹チャンネルの改造にはリ上で制御される。

ング本体の改造に先駆けて2002年度から着手し，4 年度に放射光 July 2006 Vol.19 No.4 ● 235

わたって定期の運転休止期間を利用して順次進めることで下の水冷反射板の側面部が無く，さらに水冷反射板の奥行対応した。

き方向が短かった。水冷反射板の形状改善によって上記のような問題は解消された。

3.2

アンジュレータビームラインの基幹チャンネル

Fig. 8 に今回の改造で新しく設置された短周期アンジュ

挿入光源ラインの基幹チャンネルの設計では，高い熱負レータビームライン（BL17）の基幹チャンネルの構成を荷と上下流の偏向電磁石の光と挿入光源自体の光が混在す示す。このビームラインは10 keV 領域の X 線を利用するる状況に十分配慮してアブソーバを設計しなければならな構造生物ビームラインである。通常のアンジュレータ用基い。水冷銅ブロックのアブソーバが入射角 86 度の斜入射

幹チャンネルの構成に加えて最下流にグラファイトフィルで受光するようにして高い熱負荷に対応している。同タイタ，Be 窓アセンブリを配置した。鉛直方向の開口寸法はプのアブソーバは 1997 年の高輝度化改造時以来採用して約0.3 mrad，Be 窓のところで4.4 mm に固定した。グラフ

いるが，斜入射による銅表面での反射率増大のため，水冷

ァイトと Be の温度上昇を許容範囲に抑えるために，開口

銅ブロックとその下に設置した水冷反射板を多重反射したをアンジュレータ光の広がりに対して可能な限り絞って冷光が周辺へ漏れ出し，アブソーバブロックのステンレス製

却効率を上げている。約 6 keV 付近の低エネルギー側の真空チャンバーが過熱（最大150 °C）したり，チタンサブ

X 線も同時に利用できるように，グラファイトフィルタ

リメーションポンプが光電効果でチャージアップしてポンの厚さを極力薄くした。厚さ 0.1 mm のグラファイトを 2

プコントローラが損傷するなどの問題を経験した。そこで

枚用いて合計 0.2 mm としている。可動スリットを用いな

今回は多重反射光を周辺に漏らさない大きな「コ」の字型

いで開口角を最小限に固定しており精密なアライメントが水冷反射板覆いを取り付けた新型アブソーバを開発した。

必要となる。運転開始後に電子軌道，アンジュレータギャ

Fig. 7 は新旧アブソーバの内部構造の比較である。旧型はップの調整，ビームラインでの光軸測定を行った結果をフィードバックして最終的なアライメントの微調整を行った。

4. 蓄積リングの立上げ状況
4.1

コミッショニング

約 7 ヶ月にわたるリングの改造作業を終え， 2005 年 9月 20 日よりコミッショニングが開始された。コミッショ
ニングの目標は，ビーム寿命以外のパラメータは基本的に改造前と同じ状態に戻し，2.5 GeV マルチバンチ運転によるユーザー運転を早期に再開することであった。そのために与えられた期間は約 1 ヶ月で，その間に入射調整，オ
Fig. 7

Schematic drawing of the absorber assemblies for the insertion device beamlines. Right ˆgure shows the improved typeincluding the water-cooled Cu plate which thoroughly covers
the absorber, while left one shows the conventional type.

プティクスおよび光軸の確立，挿入光源のフリーチューニ
ングの確立，さらには蓄積電流値450 mA で 1 日 3 回入射が許容できるビーム寿命約 8 時間を実現しなければならなかった。その他にも，新たに導入した横方向ビーム不安定性を抑制するためのバンチ
毎フィードバックの立上げ，
短周期アンジュレータ（SGU#

17 ）ビームラインへの光導入を行うことなどが想定されていた。コミッショニングのス
ケジュールは，これらが達成できるように，ビームによる各コンポーネントの調整の時
間や光焼出しに必要な時間を割り出し，シフト（ 8 時間）
単位で組まれていた。
初 日 9 月 20 日 は 入 射 路 のビーム調整に費やし，本格的Fig. 8

Newly constructed front-end for the short gap undulator beamline (BL17).

236 ● 放射光 July 2006 Vol.19 No.4にリングへの入射が開始され

トピックス ■ PF リング直線部増強―リング改造と立上げ状況

たのは夜 8 時 30 分ごろになってからであった。結局，この日は 4 ターン程度回っただけで終わった。2 日目，3 日
目，4 日目も引き続き入射調整が行われたが，なかなか蓄積することできず，60ターンまわすのが精一杯であった。

4 日目の午後に，セプタム，キッカーなどの入射パラメー
タやビームエネルギー，入射位相，軌道，ベータトロンチ
ューン，RF 周波数などさまざまなパラメータを調整したが 60 ターン以上は回らないこと，垂直方向に軌道を振るとそれほどアパーチャが狭くないアンジュレータ 2 番（U#02 ）付近で顕著にビームロスが生じること，さらにその周辺の放射線レベルが異常に高いことなどから，U #02 付
近の真空ダクト内に何か障害物があるかもしれないという判断を下し，真空を破って中を調べてみることにした。その結果，停止期間中に誤って圧空配管が外されたため，実験用ミラーが挿入されたままになっていることが判明した。後でわかったことだが，そのミラーの上下にはダクトとの間にわずかな隙間（ 1 ～ 2 mm ）があり，入射ビーム
はその隙間を掻い潜って回っていたことになる。PF リン
グには，壁電流モニター，シングルパスモニターやゲート
カメラ等により周回ごとにビーム電流，位置およびプロフ

Fig. 9Photographs of the wall current monitor; (a) shows the signals from the beam circulating until 100 turns just before theˆrst storage, and (b) the signals just after the ˆrst storage ata current of about 1 mA.

Fig. 10

Trend graph of the stored beam current from the ˆrst day ofthe commissioning to the day it reached 450 mA.

ァイルが確認できるビーム診断系があることによって，障害物がある中でこれらのモニターを見ながらパラメータを調整し， 60 ターンまでビームを回すことができたということになる（逆に 60 ターンも回ったため，障害物があることは想定外であり，様々な情報を集めるまで時間を要して真空を破る決断が遅れてしまった）。
コ ミ ッ シ ョ ニ ン グ 開 始 か ら 5 日 目 の 9 月 24 日 12 時 ご
ろ，真空作業が終了し，ビーム入射再開となった。障害が取り除かれた後は，入射ビームはスムースにリングを周回し始め，16時53分にビームの蓄積に成功した。Fig. 9 に，蓄積に成功する前後の壁電流モニターの様子を示す。ビー
ムを蓄積した後は，入射パラメータの最適化， COD ，
ベータトロンチューンなどの補正を行い，入射率を増やす
調整を行うとともに，放射光による真空悪化が徐々に回復するのを待ちながら電流を積み上げていった。そして，9月30日に目標である蓄積電流値450 mA に到達した。日ごとに最大蓄積電流値が伸びていく様子を Fig. 10 に示す。

450 mA を達成した時点ではビーム寿命は30分足らずで，
しかもイオン捕獲によると思われるビーム不安定性が非常に強く観測されていた。本格的なビーム調整はこの時点か
ら行 わ れた が ，約 4 日半 の 遅れ を 取り 戻 すよ う ス ケジになっていた。それに先立って，リングでは基準となる軌

ュールを見直し，まずビーム不安定性を抑制するための横道を定め，その軌道でよいかどうかをビームライン側で確

方向バンチ毎フィードバックの立上げ，軌道オプティク

認する時間を設けていた。まず 10 月 7 日に第 1 回目の光スの最適化，超伝導ウィグラーの立上げ，軌道フィードバ

軸確認が行われた。その結果，多少調整が必要なビームラ

ックの立上げを精力的にこなしていった。また，夜間のシインがあったものの，まったく光が通らないというようなフトは最大蓄積電流値を500 mA まで上げて光焼出し運転

ビームラインはなく，大きな問題がないことがわかった。

を続け，積分電流値の確保に努めた。

今回の改造では，リング全周にわたり電磁石のアライメン

コミッショニングの第 3 週目には，リングの光焼出しトを行ったこと，さらに直線部のビーム位置モニターは新に加え，新ビームラインの光焼出しや調整も行われること

規のものであったことから，大きく光軸のずれているビー

放射光 July 2006 Vol.19 No.4 ● 237

ムラインもあるのではと心配したが，杞憂であった。また，この週に短周期アンジュレータのギャップを閉じていくテストが行われた。オプティクス設計上想定した最小ギャップは 4.5 mm であったが，この時点では基準となる軌
道に何の調整をしなくても， 4.1 mm までビーム寿命に影響を与えることなくギャップを閉じることができた。このことから，短直線部の垂直ベータ関数は設計どおり0.4 m
程度と十分に絞られていることが確認された。コミッショ
ニング最終週は，第 2 回目の光軸確認後，挿入光源のフリーチューニングのための軌道補正データの取得，ビーム
ライン側の調整，そして光焼出しが続けられた。

4.2

光焼出し状況

Fig. 11

Typical example of the calculated results on the pressure distributions. The red curve shows the pressure distribution at
the integrated current of 100 Ah in the southern straight
regions.

Fig. 12

Recovery of the beam lifetime and the average pressure after the reconstruction for the straight sections; (a) shows
the prospected values from the simulation, and (b) the actually measured values during the operations.

運転開始に先立ち，立上げ後の真空圧力の改善とビーム
寿命の伸びをシミュレーションで予測した。真空ダクトを更新した場合，ダクト内壁の涸れた状態がリセットされるため，今回のように改造が広範囲にわたれば運転再開後の圧力は数桁も高くなり，ビーム寿命は大幅に短くなる。
ユーザー運転を 1 日 3 回以下の入射頻度で開始するためには，約 1 か月のコミッショニング期間後のビーム寿命
が，電流値とビーム寿命との積（It）で200 Amin 以上まで回復している必要がある。 1997 年の高輝度化改造後はこの値を達成できたが，そのときの改造と比べて今回の改造では，改造範囲が約 2 倍であること，長い直線部では放射光の密度が小さいため光焼出しの進行が比較的緩やかであること，Q ダクトの断面形状が縮小されてコンダク
タンスが小さくなったこと，北半分のビームダクトに対してはプリベークを行わずにインストールしたこと，入射器を共有する他の加速器（KEKB と PF AR）が運転中であるため入射器を占有できないこと，などのようにマイナス要因が多い。逆にプラス要因としては，12 台の DIP が更新されて偏向部の排気速度が改善したことと， 1999 年より加速用高周波に位相変調をかけて Touschek 寿命を伸ばした運転を行っていること8)，などが挙げられる。
これらの条件を数値化して，ビーム寿命予測のシミュ
レーションを行った。まず，運転開始後の何点かの代表的な時点での平均圧力を，ビーム軸に沿った一次元有限要素法による圧力分布から計算した。例として，積分電流値

100 Ah のときの南直線部の圧力分布計算結果を Fig. 11 に示す。このとき，ガス放出量の計算に用いるダクトの涸れの進行度合い，すなわち光照射量積分値（Photon Dose）と光脱離係数 h との関係は，これまでの運転で得られたデータを使用した。ただし，広範囲のダクトをプリベーク
せずにインストールしたのは今回の改造が初めてであったので，その区間の初期 hについては，プリベークをした場
合の h に対して 3 パターン（等しい，3 倍，10倍）を想定した。h とは，1 光子照射当たりに放出されるガス分子数（ molecules /photon ）で定義された量であり，通常立上げ
直後で10－110－2 程度，数年以上の運転時間を経て十分に238 ● 放射光 July 2006 Vol.19 No.4

トピックス ■ PF リング直線部増強―リング改造と立上げ状況

Fig. 13

Average pressures as a function of the integrated current. A
red point shows the pressure in the southern straight
regions, and a blue point in the northern straight regions.

涸れたダクトの場合は10－7 台に達する。
それぞれの時点での平均圧力を計算した後，平均圧力とビーム寿命との関係の実測データを用いてビーム寿命の伸びを予測した。その結果を Fig. 12a に示す。これにより，ユーザー運転開始（積分電流値100200 Ah 程度）時に，目標とするビーム寿命（ 200 Amin 以上）を達成できる見通しを得た。
そして，実際の立上げでは約 1 か月のコミッショニン
グ期間中に積分電流値で約 150 Ah を蓄積することがでFig. 14

Status of the stored beam current and the beam lifetime inthe single-bunch operations; (a) and (b) show the status
operated with new DIPs in December 2005, and without
new DIPs in February 2006, respectively.

き，その時点でのビーム寿命は I  t で約 200 Amin であったので， 2005 年 10 月 18 日より 1 日 3 回入射でユーザーうな高い頻度で観測されたことがなく，ダスト源として今運転を再開した。さらに 1 か月後には I  t が 450 Amin

回更新された DIP が疑われた。直線部に新規に導入したを超え， 11 月 22 日より 1 日 2 回入射とした。 2006 年 5 月

12台の DIP を OFF して運転したところ，寿命急落現象はの時点で， I  t は約 950 Amin まで回復し，現在も真空全く発生しなくなった（Fig. 14b）。

ダクトの涸れとビーム寿命の伸びはともに進行している

DIP を OFF す ると平均 真空圧 力は 2 割程 度悪化 する（ Fig. 12b ）。この進行の速さは， 1997 年の高輝度化改造後が，シングルバンチ運転時の寿命は Touschek 効果が支配を上回るペースである。It が1000 Amin を超えれば，的であるので，ビーム寿命はほとんど変化しない。改造後

1 日 1 回入射の運転でも十分な平均放射光強度を供給できのバンチ長の電流値依存性の観測からすると，シングルバるようになる。

ンチユーザー運転時のバンチ長は改造前の最大 3 分の 1

寿命回復予測のシミュレーション結果との比較では，プ程度まで短くなっている。これは改造によるビームダクト

リベークのあり/なしで初期 h の差が 3 倍以下の場合の計

内面の平滑化によってバンチ長の伸びが小さくなったため算結果と概ね一致した。事実，プリベークを行った区間である。 Touschek 効果がさらに厳しくなった結果，シン

（南直線部）と行わなかった区間（北直線部）のダクトのグルバンチ運転時のビーム寿命は I t で 9 Amin 程度と涸れの進行比較では，積分電流値が数 10 Ah （平均 Pho-

なり，改造前と比べて1/21/3程度に短くなった。

ton Dose ＝約 1 ×1024 photons/m ）までにおいて 2 倍弱の差が見られた程度であり，それ以降有意な差は見られなく

5. まとめなった（Fig. 13）。

PF リング直線部増強計画のためのリング改造作業が4.3

シングルバンチ運転とビーム寿命急落現象

2005 年 3 月から 9 月に行われた。四極電磁石や真空ダク

直線部改造後のシングルバンチ運転時において，マイクトの更新により挿入光源設置スペースが増強され，また新ロダストのトラッピングによると考えられるビーム寿命急

しいビームラインにも対応できるように基幹部の改造も行落現象の頻発が観測された（Fig. 14a）。改造前にはこのよわれた。新設された短直線部と延長された直線部を利用し放射光 July 2006 Vol.19 No.4 ● 239

参考文献て新しい挿入光源ビームラインの建設と企画が進められている。

1)

改造によりリングの大半が更新された真空ダクトは，立上げ後の放射光照射による涸れも順調に進行し，それに伴ってビーム寿命も回復してきている。 2006 年 5 月時点でのビーム寿命は It で約950 Aminであり，このペースは1997年の高輝度化改造後を上回っている。

2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)

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Status of PF-ring commissioning after thereconstruction for the straight-sections upgrade
Yasunori TANIMOTO
Hiroshi MIYAUCHI
Tohru HONDA
Yukinori KOBAYASHI

Institute of Materials Structure Science, High Energy Accelerator Research
Organization, KEK, Oho, Tsukuba, Ibaraki 3050801
E-mail: yasunori.tanimoto＠kek.jp
Institute of Materials Structure Science, High Energy Accelerator Research
Organization, KEK, Oho, Tsukuba, Ibaraki 3050801
E-mail: hiroshi.miyauchi＠kek.jp
Institute of Materials Structure Science, High Energy Accelerator Research
Organization, KEK, Oho, Tsukuba, Ibaraki 3050801
E-mail: tohru.honda＠kek.jp
Institute of Materials Structure Science, High Energy Accelerator Research
Organization, KEK, Oho, Tsukuba, Ibaraki 3050801
E-mail: yukinori.kobayashi＠kek.jp

Abstract The upgrade project of the straight sections at the PF-ring enables the reinforcement of insertion
devices and their beamlines. As a main part of this project, a large-scale reconstruction of the storage ring was
carried out from March to September in 2005. The lattice conˆguration was modiˆed to create short straightsections of 1.4 m and to extend the existing straight sections. Optical functions of the short sections were optimized for short-gap mini-pole undulators as X-ray sources. The ˆrst mini-pole undulator SGU#17 has been
operated for a protein crystallography. A recommissioning of the ring was conducted for about one month,and user experiments were restarted on 18th October 2005 according to schedule. The recovery of the beam
lifetime due to the process of the vacuum scrubbing has been favorably progressed.

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