先端放射光源に関する研究会
第３世代放射光リング／SASE-FELを越えて日本が選択すべき放射光源ロードマップに向けて(1)

ERL開発の現状と展望
2014年11月22日（土）9時00分～9時30分
自然科学研究機構岡崎コンファレンスセンター中会議室宮島 司
高エネルギー加速器研究機構 (KEK)
加速器研究施設
Outline
1. ERL加速器と光源への利用
2. ERL開発の世界の動向
3. 試験機開発（compact ERL）の現状
4. 今後の展望
5. まとめERL加速器と光源への利用

ERL（Energy Recovery Linac）加速器-

線形加速器の特徴を有する「先端性と汎用性」の両立の可能性
高輝度・大電流ビームの生成・加速が鍵

光源性能の目標（3 GeV ERL計画を例として）-

高い平均輝度（1021～23）と短パルス性（100 fs～数ps）

ERL光源実現に向けての課題-

宮島 司

要素技術開発： 電子銃と超伝導加速空洞
安定性、建設・運転コスト、放射線遮蔽

先端放射光源に関する研究会 2014年11月22日

2ERL加速器の特徴•

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
線形加速器の特徴：•••

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。
メリット– 大電流ビームを扱うことが可能– 放射光源利用の場合、平均輝度の上昇、多数のビームラインを設置可能（周回路を作るため）– 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– 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）加速すればするほど必要な電力も増える
利用部分
電子源

加速空洞

周回路に多数のBeam Lineを設置可能（この部分はリング型に近い）
超伝導加速空洞

電子源

•

ダンプ

ERLを利用した光源の目指すところ–

先端性（高輝度、高繰り返し、短パルス長、小さい
エネルギー拡がり）と汎用性（同時利用）の両立

高輝度・大電流ビームの生成・加速が鍵
宮島 司

先端放射光源に関する研究会 2014年11月22日

3光源性能の目標（3 GeV ERL光源を例として）•ERL Conceptual Design Report （KEK Report 2012-4）より挿入光源（Lu=30 m, λu = 18 mm）からの光のスペクトル計算例（中村典雄氏）

10 mA, σE=5×10-5 (σz = 1 ps)
8 keVの3次光：1022

100 mA, σE=2×10-4 (σz = 2 ps)
8 keVの3次光：1021～1022

ERL光源性能
3 GeV ERLKEKB加速器の内側にERL光源加速器を設置したときの配置案⇒ 超伝導空洞の長さが加速器の大きさ
を決める
宮島 司

平均輝度

1021～1023

設置可能BL数

～30本

空間干渉度

数10%

パルス幅

100 fs ～ 3 ps

これを実現する加速器の運転条件は？

先端放射光源に関する研究会 2014年11月22日

4

ERL光源利用時に必要となる加速器性能•

3 GeV ERL光源で想定される3つの運転モード
High-coherencemode
Beam energy

High-flux mode

Ultimate mode

挑戦的な値はどれか？
–
–

3 GeV

Average beam
current

10 mA

Bunch charge

7.7 pC

100 mA

100 mA•

Repetition rate of
bunch

77 pC

平均ビーム電流 100 mA
規格化エミッタンス 0.1 mm mrad

77 pC

平均ビーム電流 100 mA–

これだけの電流を生成し続ける電子源開発が必要–

さらにこれを加速し続ける加速空洞開発が必要1.3 GHz

Normalized
emittance

0.1 mm mrad

1 mm mrad

0.1 mm mrad

Emittance at full
beam energy

17 pm rad170 pm rad

17 pm radEnergy spread

2×10-42×10-42×10-4

Bunch length

2 ps

2 ps

2 ps

•

0.1 mm mradのエミッタンス––

この小さい初期エミッタンスを実現するカソード材質
これを悪化させない輸送法• 必要な電力とビームを捨てる時の出力エネルギー回収をしない場合

エネルギー回収をする場合

–

–

–

電力： GWクラス（100 mA × 3 GeV = 300 MW+ 空洞による損失等）
捨てる出力： 300 MW–

電力： 数十MWクラス（100 mA × 10 MeV = 1
MW + 冷凍機の運転等）
捨てる出力： 1 MW

線形加速器の大電流化に向けてはエネルギー回収が一つの解になる
それでは、他の加速器性能はどうなのか？
宮島 司

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5

ERL光源実現に向けての課題•

光源加速器に必要な性能： 安定な光（変動しない、中断しない）、低いコスト（建設・運転）•

光源利用に向けたERL加速器実現の課題（未知数は何か？）– 高輝度・大電流電子ビームの生成： 100 mAを供給し続ける電子源はこれまでにない。
– 大電流電子ビームの加速： 100 mAを加速し続ける超伝導加速空洞はこれまでにない。
– ビーム性能： 入射器（低いエネルギー領域）での試験が進みつつあるが、周回部での実証はこれから。大電流加速の影響、短バンチ長の影響（CSR）などの検証が必要。低エミッタンスを実証することが必要。
– 安定性（長時間・安定に、一様に）： 基本的に線形加速器型光源なので、貯蔵リングのような安定化機構がないので、変動源を断つことが必要。ユーザー利用を中断する原因になりそうなのは、カソード交換（寿命がどれくらいか？）、超伝導空洞の停止頻度。
– 運転コスト： エネルギー回収は一見エコっぽく見えるが、ビーム出力とは別に、超伝導空洞を2～4 Kに冷却するための冷凍機の運転にコストが掛かる。
– 放射線遮蔽： エネルギー回収によってダンプに捨てる出力はかなり下がる。が、輸送中にどこで、どれくらいビーム損失が起きるのかは、試験機で検証する必要がある。

要素技術開発とともに、光源加速器としての総合性能を検証する必要がある
宮島 司

先端放射光源に関する研究会 2014年11月22日

6鍵となる開発要素
–
–
–
–
–

•

高品質・大電流・長時間運転の３つを同時に満たすことが必須⇒ 「光陰極を用いたDC電子銃」 を選択
高品質のため： 高い電圧が必要 ⇒ 500 kV
高品質＋大電流のため： GaAsカソードの採用（NEA表面が長寿命化のカギ）
長寿命化するため： カソード周りの真空条件を良くする（極高真空開発）
目標設定： 100 mA (77pC/bunch)で1 mm mradを切る電子ビームを,500 kVで加速

HV terminal

加速空洞
–
–
–
–

大電流を高い加速勾配でＣＷ運転で加速することが必須⇒ 「超伝導加速空洞」を選択
入射器超伝導空洞：2-cell 空洞×3台（compact ERLの場合、実機では6台）
主加速超伝導空洞：9-cell空洞×2台（compact ERLの最初、実機では224台）
目標設定：15 MV/m で100 mAを加速

段階的な開発を継続する
ことが欠かせない
宮島 司

Anode

Segmented insulator

電子銃

Support rod

•

Catho
de

実証機として、compact ERL (cERL)を建設

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7ERL開発の世界の動向

ERLの開発目的-

放射光利用
素粒子原子核実験利用

世界のERL開発の現状-

宮島 司

加速器の規模運転状態（計画の進み具合）
到達している性能（ビーム電流・品質、エネルギー）

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8放射光利用を目的としたERL（１）•

運転中のERL加速器（ユーザー運転加速器・試験加速器）
–
–
–
–
–

JLab FEL（米国）： 350 kV-DC光陰極電子銃、CW超伝導加速、135 MeV, max 9 mA
The ALICE Facility @ Daresbury Laboratory（英国）： 325 kV-DC光陰極電子銃、Pulse超伝導加速、26 MeV
BINP（ロシア）：RF電子銃、常伝導加速、マルチターン、30 mAビームのリサイクル（世界最高）
Cornell test injector（米国）：500 kV-DC光陰極電子銃（運転は350 kV）、CW超伝導加速、8 MeV, 75 mA実証
cERL（KEK, 日本）：500 kV-DC光陰極電子銃（運転は390 kV）、CW超伝導加速、20 MeV, max 10 mA (6.5 μAまで実証済み）

ALICE

Jlab FELHigh power IR FEL
10+ kW IR CW @1.6m (2006)

Compressed bunch length<1 ps rms

Bunch charge (standard)

40 pC @ 81.25MHz,
60pC @ 16MHz and 40MHzUV FEL
100+ W CW;
intense VUV (10eV) 3rd harmonic(2010, 11, 12)

Cornell, ERL-Injector Prototype

BINP
The first and the second
tracks in horizontal planewith bypass for thesecond FEL (inoperation)
The third and the fourth
tracks with IR FEL(commissioning)

宮島 司

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9放射光利用を目的としたERL（２）•建設・計画中のERL試験機–––

bERLinPro（HZB, ドイツ）：SRF光陰極電子銃、CW超伝導加速、50 MeV, max 100 mA, n < 1 mm mrad, 77 pC
IHEP ERL Test Facility（IHEP, 中国）： 500 kV-DC光陰極電子銃、CW超伝導加速、135 MeV, max 9 mA
PKU-ERL（北京大学、中国）：DC-SRF injector、Pulse超伝導加速、30 MeV、n < 4 mm mrad, 60 pC, 4 ps (FWHM)

bERLinPro

M. Abo-Bakr, IPAC14より2015年にGun-1.1からファーストビームの予定
2019年にERL試験開始予定

IHEP ERL Test Facility
電子銃の製作が進められている

PKU-ERL

CHEN, Si, KEK加速器セミナー、2014/10/22

宮島 司

入射器のビーム試験が開始されている
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10放射光利用を目的としたERL（３）•GeVクラス放射光源利用を目的としたERL計画––

Cornell 5 GeV ERL（米国）： 5 GeV ERL、シングルターン,既存のCESRリングを利用、ビームライン：14本
3 GeV ERL（KEK, 日本）：1st stageで 3 GeV ERL, 2nd stageでXFEL-O、ビームライン：～30本

Cornell 5 GeV ERL

Cornell ERL PDDRより規格化エミッタンスに直すと、
8 pm rad ⇒ 0.08 mm mrad
30 pm rad ⇒ 0.3 mm mrad

2008年からCornell, ERL-Injector Prototypeを運転してきた
大電流・低エミッタンス生成をリードしてきた

KEK 3 GeV ERL
2013年から試験機のcERL加速器のビーム運転を開始

宮島 司

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11放射光利用を目的としたERL（４）•GeVクラス放射光源利用を目的としたERL計画––

The Femto-Science-Factory (FSF)（ドイツ, HZB）： 6 GeV ERL、マルチターン, max 20 mA
IHEP 5 GeV ERL（中国）：phase 1で第三世代光源を建設、phase 2で5 GeV ERLを追加

The Femto-Science-Factory (FSF)
A.N. Matveenko, IPAC14より“Long” undulatorが特徴（multi-user facilityとの記述もある）
10 fs の短パルスを作るが特徴

IHEP 5 GeV ERL
Beijing Advanced Photon Source at IHEP(BAPS and Future Plan)
試験機に向けた電子銃開発を行っている

宮島 司

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12素粒子原子核実験利用を目的としたERL（１）•

建設・運転中のERL試験機（素粒子原子核利用）––

The R&D Energy Recovery Linac at BNL（米国）：SRF光陰極電子銃、CW超伝導加速、20 MeV, max 350 mA
MESA（University of Maintz, ドイツ）： 原子核実験の電子散乱用、通常モード：155 MeV at 150 μA、ERLモード：
10 mA at 105 MeV
R. Eichhorn, LINAC14より

BNL, ERL R&D
HighCurrent
Charge per bunch, nC

0.5

5Average current, mA

350

50

R.m.s. Normalized
emittances ex/ey,
mm*mrad1.4/1.4

4.8/5.3

R.m.s. Bunch length, ps

18

MESA

Courtesy: D. Kayran (BNL)High
charge31

超伝導RF光陰極電子銃のビーム試験が開始されている
2015年にエネルギー回収試験を予定
R. Eichhorn, LINAC14より

超伝導空洞のモジュールを発注している

宮島 司

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13素粒子原子核実験利用を目的としたERL（２）•素粒子原子核実験利用を目的としたERL計画（光源利用案もある）––

eRHIC (furure electronhadron collider at RHIC) （BNL, 米国）： max 30 GeV ERL, FEL利用の場合：1.8 GeV (Soft
X-ray), 10 GeV (Hard X-ray)Large Hadron electron Collider (LHeC)（CERN）： 60 GeV ERL for e-p collisions

eRHIC

LHeC ERL

Phys. Rev. ST
Accel. Beams 16,
060704 (2013)

宮島 司

Draft CDR completed 2011, TDR by
2014, first beam by 2022

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R. Eichhorn, LINAC14より

14

世界のERLテスト機で実証できていること•

大電流運転： Cornell ERL-Injector Prototype 65 mAの長時間運転（マルチアルカリカソー
ド使用 ⇒ 寿命が長いカソード）
R. Eichhorn, LINAC14より何回か中断しているが、65 mAを8時間キープしている
短い時間だか 75 mA も出しているとのことでは、この時のエミッタンスは？ ⇒ よくわからない•

高輝度電子ビーム： Cornell ERL-Injector Prototype 65 mAの長時間運転（GaAsカソード*Phys. Rev. ST-AB 15 (2012) 050703
使用 ⇒ 低エミッタンスのカソード）
Courtesy: I. Bazarov (Cornell University)

20 pC/bunch
vertical
phase
space

80 pC/bunch
vertical
phase
space

Normalized rms emittance (horizontal/vertical) 90% beam, E ~ 8 MeV, 2-3 ps rms
0.22/0.15 mm-mrad0.49/0.29 mm-mrad

非常に低いエミッタンスを実現できているでは、この時の平均電流とカソード寿命は？
低エミッタンス・大電流・長寿命の３つの両立がユーザー運転には必要

Normalized rms core* emittance (horizontal/vertical) @ core fraction (%)
0.14/0.09 mm-mrad @ 68%
0.24/0.18 mm-mrad @ 61%
宮島 司

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15

試験機開発（compact ERL）の現状

cERL開発の目標-

要素技術開発： 電子銃（500 kV, 10 mAから段階的に増強）・超伝導空洞(15 MV/m)
エネルギー回収・加速器総合性能の実証（少なくとも規格化エミッタンス 1 mm mrad
以下）

cERL運転の現状-

エネルギー回収に成功 （20 MeV, 6.5 μA）

cERL運転によって課題に対してどこまで答えを出しているか？
宮島 司

電子銃： 500 kVは見えてきた、大電流生成・寿命試験はまだ
超伝導空洞： 安定な運転はできた、加速勾配向上が課題
ビーム性能： ビーム性能はまだ目標に届いていない
先端放射光源に関する研究会 2014年11月22日

16実証機としての compact ERL (cERL)
ERLを構成する基本要素をすべて含む

ERL development building

compact ERLの目的

鍵となる装置の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

Parameters of the Compact ERLParameters
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/mNormalized
emittance

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 GHz宮島 司

先端放射光源に関する研究会 2014年11月22日

17cERL入射器を構成する装置•

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–スクリーンモニタ、ストリップラインモニタ、スリットスキャナ、Faraday cup, 偏向空洞、16度偏向電磁石

入射器診断ライン

宮島 司

入射器超伝導空洞

先端放射光源に関する研究会 2014年11月22日

18cERL周回部を構成する装置•

主空洞（周回部超伝導空洞）
–
–
–

•

主空洞
9-cell超伝導空洞

Main-Linac Cryomodule

Cryostat

Tuner

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
アーク部（第1、第2）、長直線部、周長補正シケインで構成
スクリーンモニタ、BPMを配置
周回ビームが入射ビームに合流する直前にFaraday cup

主ダンプライン–主空洞下流に減速ビームを捨てるダンプライン

Input couplers
HOM absorber

周回部

宮島 司

先端放射光源に関する研究会 2014年11月22日

19cERLコミッショニングでの目標設定（初期段階）

cERL入射器の最終目標
Gun voltage

500 kV

Beam energy

5 – 10 MeV

Beam current

10 – 100 mA

Normalized rms emittanceBunch length (rms)

1 mm·mrad (77 pC/bunch)
0.1 mm·mrad (7.7 pC/bunch)
1 – 3 ps (0.3 – 0.9 mm)

これらの性能を実現するには、
500 kV, 15 MV/mの加速電圧・勾配が必要
宮島 司

•
•

加速電圧は低めで運転
施設検査までの時間が限られている⇒ より現実的な目標を設定する

コミッショニングの目標（初期段階）• 電子銃からの電子ビーム生成• 超伝導空洞での安定な加速• 品質を保持したビーム輸送 (7.7 pC/bunch)(n < 1 mm mrad のエミッタンス)• 周回部輸送• エネルギー回収• ビーム電流増強（最大1μA ⇒ 10 μA）

先端放射光源に関する研究会 2014年11月22日

20

cERLのビーム運転•

2013年4月から運転開始（1年半が経過している）––•

ビーム電流の推移––•

2013年4月～6月： 入射器単体でのビーム試験（入射器5.6 MeV）
2013年12月～2014年6月： cERL全体でのビーム試験（入射器2.4 MeV, 周回部19.4 MeV）

最大1 μA （2013年6月まで） ⇒ 最大 10 μA （2014年6月まで） ⇒ 最大 0.1 mA （2015年1月から）
段階的にビーム電流を増強している

ここで紹介する項目––––

エネルギー回収の実証
機器の運転状況（電子銃と超伝導空洞）： 機器の性能、安定性はどうか？
ビーム性能： 電流、ビーム品質、安定性はどうか？
cERLの運転を通してどのようなことがわかってきたか？

宮島 司

先端放射光源に関する研究会 2014年11月22日

21

エネルギー回収の実証

加速電圧Vc=8.57MV
ビーム電流I (約6.5uA)

Pref

Pin

Pin:入力パワー
Pref:反射パワー

入力パワーと反射パワーの差：Pin-Pref・エネルギー回収試験
エネルギーのやりとりができている場合、
Pin-Prefはビーム電流によらず一定。

・ビームローディング試験
加速・減速のみの場合、エネルギー収支がゼロでない。
ビーム電流によって入力・反射パワーに変化がある。
島田美帆、2014年加速器学会年会より
宮島 司

先端放射光源に関する研究会 2014年11月22日

22

電子銃の現状と今後の開発（１）電子銃電圧、真空GaAs光陰極量子効率（周回部コミッショニング時）
20

10 500量子効率をFCで計測
コミッショニングは通常0.1nA
CW運転試験時に5μA

FC電流
レーザー

2
2013年 2014年
12月 1月
2月

3月

4月

5月

6月

7月

真空度（×10-9 Pa）

5

400
運転時真空度8x10-10Pa
電圧(kV)

量子効率(%) λ=530nm

10

セラミック管電圧390kV
8ビーム電流(μA)

活性化

2

100

0

0

3μA運転 30分

0

2

4

6
時間

8

10

・6か月交換なしで、2%以上の量子効率・390 kV運転（延べ500時間以上）
・運転時極高真空の達成

島田美帆、2014年加速器学会年会より
宮島 司

先端放射光源に関する研究会 2014年11月22日

23

電子銃の現状と今後の開発（２）電子銃の現状

電子銃単体試験： 500-keV, 1.8 mA 生成を達成•高品質： 低電流で達成 （0.07 mm·mrad @10fC ,390 kV）•大電流：•500 kV で 1.8 mA 、低電圧で10mAを達成（100mAには新たな電源が必要）•cERL全体としては、390 kV, 6.5 μAを達成•長時間： 390 kV 低電流で達成(~ 260 hours)•高電圧に起因する停止はなし（下流の真空悪化による停止は1回あり）•高品質かつ大電流： これから•大電流かつ長時間： これから•高品質・大電流・長時間： これから

N. Nishimori,S. Sakanaka
ERL2013発表資料より

N. Nishimori et al., Appl. Phys. Lett. 102, 234103 (2013).

ピーク性能だけではない真の性能へ

現状の性能から次の段階に向けて•大電流化： 100 mA用の電源の設計検討を進めている•長寿命化： 「GaAs + 極高真空での性能検証」 ＋ 「GaAsカソードに代わる材質の開発」⇒ マルチアルカリカソードの開発（エミッタンスもそれほど上がらずに、カソード寿命が長いという報告、米国コーネル大学）•マルチアルカリカソード開発： JAEA, 広島大学を中心として、開発を進めている（2015年にcERLおよびKEKで開発している第二電子銃に組み込んで検証を開始する予定）
宮島 司

先端放射光源に関する研究会 2014年11月22日

24

超伝導空洞の現状と今後の課題
入射器超伝導空洞の現状

E. Kako, et. al.,H. Sakai, et. al.

入射器空洞単体での性能試験•高い加速勾配： 7.1 MVm を達成•大電流の加速： 6.5 μAの加速を達成(3.3MV/m)•長時間： 7.1 MV/m 運転では非常に安定(~260 hours)•cERL全体としては、3.3 MV/mで非常に安定な運転を達成•高い加速勾配かつ大電流： これから

パルス運転

CW運転

主空洞の現状•高い加速電圧： 8.57 MV を達成•大電流の加速： 6.5 μAの加速を達成•長時間： 8.57 MV 運転ではかなり安定(2014年5/20～6/20の停止回数：20回、全て対処可能なものである)•運転開始3週間後に、空洞のfield emissionの増大が見られたが、pulse agingによって回復できることがわかった。
•最終ターゲットの15 MV/mの安定運転はこれからの課題•高い加速電圧かつ大電流： これから宮島 司

主空洞単体での性能試験

最大16MVまでは印加可能。

赤：上流
空洞
青：下流
空洞

長期運転への一つのアプローチを確立

8MVあたりからfieldemission発生

空洞の加速電圧は16MVまで到達するが、
field emissionによるradiation増加がみられた。

先端放射光源に関する研究会 2014年11月22日

25

ビーム性能開発の現状と今後の課題（１）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
宮島 司

先端放射光源に関する研究会 2014年11月22日

26

ビーム性能開発の現状と今後の課題（２）
空間電荷効果が支配的な高バンチ電荷(7.7 pC/bunch)の輸送試験の結果
・ 周回部輸送調整： 9割が周回部FCに到達
・ ビーム品質測定結果： 入射器 2.9 MeV, 周回部 19.9 MeV
規格化エミッタンス（設計 0.6 mm mrad）： 2.9 mm mrad（診断ライン）
2.9 mm mrad（周回部第一アーク手前）、 5.8 mm mrad（周回部南直線部）
バンチ長（設計 4 ps）： 5.5 ps （診断ライン）
規格化エミッタンスの測定結果 (nx /ny), 単位 mm mrad
運転モード(1)入射器診断部(2) 主空洞前(3) 主空洞後(4) 第一アーク後(5) 第二アーク前

20 fC (6/13)-

0.15 / 0.14

0.14 / 0.12

0.14 / 0.14

0.13 / 0.15

7.7 pC (6/19)

-

-

-

42 / 14.7-

7.7 pC (6/20)

2.5 / 2.9-

2.9 / 2.4

5.8 / 4.6-

周回部Faraday cup に90 %のビームが到達

(3)

(2)

(4)

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低バンチ電荷： ほぼ電子源のエミッタンスを保持できた
高バンチ電荷での調整法の確立が、今後の課題
宮島 司

先端放射光源に関する研究会 2014年11月22日

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ビーム性能開発の現状と今後の課題（３）三浦孝子、2014年加速器研究施設交流会資料より
宮島 司

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ビーム性能開発の現状と今後の課題（４）ビーム性能向上に向けた今後の課題と対策•

低エネルギー領域のビームの取扱い– 環境磁場（地磁気、予期せぬ磁場（CCGの磁石、クレーン、ビーム近傍の磁性体）、電磁石の残留磁場等）の制御•

低電荷（空間電荷効果が効かない）ビームの輸送法の改善– 入射器空洞を通過するときに、エミッタンスが悪化することがわかっている– 空洞内のビーム軌道、位相の調整がまだ不十分 ⇒ 2015年5月からの運転で対策していく•

大電荷（空間電荷効果が支配的な）ビームの輸送– モデルとのずれが大きい ⇒ 空間電荷効果を理解するためのビーム試験を続ける– 6次元位相空間の情報（ビームサイズ、バンチ長、エネルギー拡がり等）が必要になるので、まずは診断ラインを活用する•

ビーム調整法の更なる精度向上– シングルキック応答測定等の基礎的な測定を行っている– 異なるエネルギーのビームが通過する部分の軌道・オプティクス調整– 現状の転送行列を確認するとともに、オプティクスマッチングの精度を向上させる

宮島 司

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ERL光源の課題に対するcERLの検証経過•

光源利用に向けたERL加速器実現の課題（未知数は何か？）– 高輝度・大電流電子ビームの生成： 500 kV で 1.8 mA生成（電子銃単体）、390 kV で 6.5 μA生成（cERL周回運転）。カソード単体でのエミッタンスは0.07 mm·mrad @10fC , 390 kV。「高品質・大電流・長時間」の両立の実証がこれからの課題。
– 大電流電子ビームの加速： 8.5 MV/m で 6.5 μA のCW運転を実証。大電流加速試験は電子源の増強に合わせて進める。実用的な加速勾配に合わせて、3 GeV ERL光源設計の修正が必要（加速勾配によって加速器の「長さ」が決まる）。
– ビーム性能： 低バンチ電荷（空間電荷なし）では、初期エミッタンスを保持して周回運転できた。高バンチ電荷での空間電荷効果補償法の確立がこれからの課題。
– 安定性（長時間・安定に、一様に）： 低電流運転ではカソード寿命が長いことは確認できた。
大電流電寿命試験がこれからの課題。電子銃・超伝導空洞の運転安定性は高いことが確認されつつある（ただし、空洞の台数はまだ少ない）。ビーム品質の安定性の評価はこれからの課題。0.01 %程度のエネルギー変動で安定であった。
– 運転コスト： 超伝導空洞は一度冷やしたらずっと運転し続けないと効率が悪い。cERL運転の電力は1.1 MW（このうち、およそ半分が冷凍機の電力）。注：3 GeV ERLでは冷凍機の構成が異なるので、これの外挿とはならない。
– 放射線遮蔽： 6.5 μAではまだ問題にはならない。ビームダンプ以外でのビーム損失箇所・量の評価を進めている。

2013年から運転を開始して、少しずつ回答を出しつつある
この結果をERLの光源利用に今後反映していく
宮島 司

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今後の展望cERLにおける実証試験の継続とユーザー利用-

レーザーコンプトン散乱によるX線生成
CSRを利用したTHz光源

3GeV-ERL光源設計へのフィードバック-

最初から全部両立できるではなくて、達成できることから段階的に運転してアップグレードする方向性もあるのでは？

新たな展開-宮島 司「先端性・汎用性」から「先端性」を活かした方向への可能性
EUV-FEL, CW-FEL, XFEL-O ⇒ 詳しくは阪井さんの発表

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cERLにおける実証試験の継続とユーザー利用•実証試験での次の項目––•

空間電荷効果の支配的な高バンチ電荷でのビーム輸送法の確立
ビーム電流の段階的増強（放射線申請を着実にクリアする）： 0.1 mA(2015年1月～)、1 mA（2015年度）、
10 mA（2016年度？）、100 mA（電源増強が必要）

ユーザー利用に向けた準備––

レーザーコンプトン散乱によるX線・γ線の生成・利用
コヒーレントTHz（CSR-THz）光の生成・利用

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3GeV-ERL光源設計へのフィードバック•

機器の現実的な性能のフィードバック–

超伝導加速空洞の現実的な加速勾配が見えてきた ⇒ 加速器の大きさに直結するので、全体デザインの
修正が必要

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カソード交換による中断時間の低減： ユーザー運転の中断時間を極力短くするための準備を進めている（
複数のカソードを同時活性化しそれを保管 ⇒ 3つの同時活性化を実証）。交換時間は1回10分程度。
カソードの寿命： 1日程度の寿命があれば、1日1回10分程度の中断時間を狙える–•

運転モードの見直し
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3 GeV ERL光源の最終（限界）性能は示されてきたが、到達する道筋があまり見えていないのではないか？
段階的に性能向上を図れる道筋を示していきたい
現状： ビーム性能を制限するのは電子源
電子源の重要な点： 運転を続けながらも、別施設で開発継続が可能。段階的にアップグレードできる。
例えば、10 mA で運転開始。100 mAの電子源が開発できたらそれにアップグレード。
〇加速器性能の段階的なアップグレード案
Middle-coherence (cERLで1～2年後にテストできそう）:
10 mA, 0.3～0.5 mm mrad
High-coherence:
10 mA, 0.1 mm mrad（エミッタンスはほぼ限界）
High-flux:
100 mA, 1 mm mrad（電子源開発が必要）
Ultimate-mode:
100 mA, 0.1 mm mrad（エミッタンスが非常に厳しい）

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新たな展開の可能性•

ERL加速器開発での重要なこと： 大電流を生成して加速すること– 大電流を生成可能な電子源の開発– 大電流を加速可能な超伝導空洞の開発••

これらの要素技術 ⇒ LCLS-IIのような高繰り返しX線FELの実現に必要な技術
一つの方向性として、ERLでの開発を基礎においた高繰り返し線形加速器型光源もありうるのではないか？
最終的には、XFEL-Oの加速器としての利用がゴールか••ERL光源で目指してきたこと： 「先端性」と「汎用性」の両立– 「先端性」を活かした方向性もありうるのではないか？
– EUV光源として、ERL+FELが注目を集めつつある ⇒ 半導体のリソグラフィー用の
光源– 平均電流 10 mA がターゲットになるので、設計条件がかなり緩和される•

新たな展開の可能性の詳細については、阪井さんの発表を参照して下さい

宮島 司

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まとめ

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まとめ （cERLの運転）•

cERL入射器コミッショニングで達成した項目•

加速後の規格化エミッタンス ⇒ 最初の目標（n < 1 mm mrad）はとりあえず達成––

0.17mm mrad (～10 fC/bunch) ⇒ 次の目標の 0.1 mm mradに近いがまだ調整が必要～0.8 mm mrad (7.7 pC/bunch) ⇒ 次の目標の 0.3 mm mrad に到達する調整は今後の課題•

ERLの鍵となる電子銃、入射器超伝導空洞ともに非常に安定であった•

cERL全体（周回部）コミッショニングで達成した項目•••

6.5 μA, CW運転でのエネルギー回収を実証 ⇒ 大きなmilestone
オプティクスマッチング後、ビーム損失を抑えた周回に成功
加速後の規格化エミッタンス ⇒ 周回部での調整はまだ不十分––

0.15 mm mrad( 20 fC/bunch) ⇒ ほぼ入射器のエミッタンスを保持して周回できた
2.9 mm mrad( 7.7 pC/bunch) ⇒ 次の目標の0.3 mm mradに到達する調整は今後の課題（2015年4月から開始予定）•

20MeV運転を始めてから３週間後に突然主空洞のradiationが増える現象が見られたが、性能劣化回復を行うことが可能であった。⇒ 長期運転への一つのアプローチを確立•••

現状と今後の課題
現状 ⇒ 各機器のピーク性能を検証しつつある
今後の開発 ⇒ ピーク性能だけではなくて総合性能を発揮できるように––

電子銃： 大電流と長寿命化の両立 ⇒ 大電流電源とマルチアルカリカソードの開発（2015年～）
超伝導空洞： 電圧上昇と、大電流ビームの加速 ⇒ Field emissionを抑える組み立て、process法の開発等

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まとめ （光源加速器としてのERL）•

ERL（Energy Recovery Linac）加速器–––

線形加速器の特徴を有する「先端性と汎用性」の両立の可能性
高輝度・大電流ビームの生成・加速が鍵•

光源加速器に必要な性能： 安定な光（変動しない、中断しない）⇒ 試験加速器 cERL において総合性能の検証を続けている•

試験加速器cERLにおける結果のフィードバック
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達成できていること： 500 kVの電子銃電圧、超伝導空洞での安定な加速、0.15 mm mrad （空間電荷なし）達成できていないこと： 10 mA (100 mA)の生成、15 MV/m の加速勾配、0.1 mm mrad (7.7 pC/bunch)、ユー
ザー利用に耐える運転時間を確保できるかの検証（カソード寿命）
電子源の重要な点： 運転を続けながらも、別施設で開発継続が可能。段階的にアップグレードできる。
最終（限界）性能だけを示すのではなく、現実的な運転モードからのアップグレードの道筋を示す「先端性と汎用性」の両立 ⇒ 「先端性」を利用した展開の可能性–––

高繰り返しXFEL光源EUV-FEL光源（半導体リソグラフィー用）
XFEL-O宮島 司

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Buck up slides

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cERL Development TeamHigh 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, X. Jin, E. Kako, Y. Kamiya, H. Katagiri, H. Kawata, Y. Kobayashi, Y. Kojima, Y. Kondou,
O.A. 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, H. Takaki, 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
Hiroshima University
M. Kuriki, Y. Seimiya
Nagoya University
Y. Takeda, M. Kuwahara, T. Ujihara, M. Okumi
Yamaguchi University
The Graduate University for Advanced Studies (Sokendai)
H. Kurisu
E. Cenni (present address: Kyoto University)
UVSOR, Institute for Molecular Science
M. Katoh
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)
D. Yoshitomi, K. Torizuka
JASRI/SPring-8
H. Hanaki
CERN
A. Valloni
宮島 司

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39• 謝辞 ～運転を支えて頂いた方へ～

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。
東日本技術研究所： 路川徹也さん、亀田吉郎さん、
ＮＡＴ： 山田浩気さん、沼田直人さん、浅川智幸さんに感謝します。
宮島 司

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