SPring-8 における高純度バンチ運転
青木 毅
田村和宏
要

旨

財 高輝度光科学研究センター
〒6795198 兵庫県佐用郡佐用町光都 111

財 高輝度光科学研究センター
〒6795198 兵庫県佐用郡佐用町光都 111

現在，SPring-8 では，高いバンチ純度で大電流の孤立バンチを用いた運転が定常的に行われ，単パルス放射光を必要とする時間分解実験等のユーザー実験に利用されている。バンチ純度とは，電子ビームから放射される放射光がどれだけ純粋な単パルス光であるかを表す指標であり，孤立バンチの電子数とその前後に存在する不要なバンチの電子数の比で表される。SPring-8 では109～1010 という高いバンチ純度と孤立バンチのバンチ電流の高い均一性と安定性が実現されている。本記事では，SPring-8 の入射器における高純度単バンチビームの生成法と蓄積リングでの高精度バンチ純度測定について解説する他，高純度バンチ運転の現状について報告する。

1. はじめに光としての質，単パルス光の純粋さを表すことができる。
純粋な単パルス光実現のためには，主バンチ以外のバケッ

SPring-8 は 8 GeV の高エネルギー電子ビームを用いた

トには一つの電子も存在しない状態を作り出す必要があ

第三世代の高輝度放射光施設で，電子ビームを蓄積して放る。 SPring-8 でのユーザー運転では，微少なバンチ電流

射光利用を行う蓄積リングと，その入射器である線形加速のバンチを多数個蓄積する多バンチモード，バンチ電流の器，ブースターの三つの加速器で構成される。 SPring-8

大きな複数のバンチあるいはバンチ列を等間隔に蓄積するの特徴として，世界最高レベルの高輝度放射光をユーザー

少数バンチモード，多バンチモードと少数バンチモードがに供給している事の他に，短パルス X 線を利用するユー

共存するハイブリッドモードの三種類の運転モードで放射ザーのために大電流孤立バンチを複数個周回させる運転が光が供給されている。単パルス放射光利用のために高純度安定に行われている事が挙げられる。

孤立バンチによる運転が必要とされているのは，少数バン

SPring-8 蓄積リングは周長 1436 m ，エネルギー 8 GeV

チモードとハイブリッドモードである。

の放射光専用電子蓄積リングである。 SPring-8 蓄積リン

本記事では， SPring-8 の入射器における高純度単バン

グには電子が安定に存在できるバケットと呼ばれる領域がチビームの生成法と蓄積リングでの高精度バンチ純度測定

2436 個あり，電子はその中でバンチと呼ばれる塊を形成について解説し， SPring-8 で達成されているバンチ不純してリング内を周回している。電子は偏向電磁石や挿入光度を示す。また，現在 SPring-8 でのユーザー運転では，源で放射光を発生してそのエネルギーの一部を失うが，リ微少な電子ビームを定期的に入射して蓄積電流を一定に保ングの四箇所に配置された高周波加速装置によりエネル

つトップアップ運転が行われている。少数バンチ，ハイブ

ギーを補充されるため安定に周回を続けることができる。

リッドモード時には，蓄積電流だけでなく，各孤立バンチ

高周波加速の周波数が508.58 MHz であるため，バケットのバンチ電流を一様かつ一定に保つよう，入射が頻繁に行の時間間隔は約 2 ns となる。 SPring-8 蓄積リングの電子

われている。高純度バンチ運転の現状として，トップアッビームが出す放射光はバンチの時間幅に等しい約40 ps の

プ運転中のバンチ不純度の変化についても報告する。

ごく短いパルス光であり，どのバケットにどれだけの電子を蓄積するかによって放射光の時間構造が決まる。例え

2. 高いバンチ純度の必要性

ば， 2436 個のバケット全てに電子を蓄積した場合はパル
ス光が 2 ns 間隔で連続的に放射され，一つのバケットだ

単パルス放射光は，ナノ物質材料の外場に対する構造

けに電子を蓄積した場合はバンチの周回時間 5 ms で繰り応答の実時間計測，レーザーにより対象物質の電子状態を返される単パルス光が放射されることになる。

特定の励起状態へ遷移させ，そこからの緩和過程を単パル

大電流の孤立バンチ（主バンチとも呼ぶ）の電子数に対ス放射光をプローブとして計測するポンププローブ実する，前後の不要なバンチ（不純バンチと呼ぶ）の電子数

験，ナノ秒レベルでの磁化構造等，物質の構造変化を調べの比で「バンチ不純度」を定義し，またその逆数を「バンる X 線トポグラフィー，また，結晶場中の原子核の束縛

チ純度」と表すと，これらの値を用いて放射光の単パルス状態を調べる核共鳴散乱実験等に利用されている。

放射光 July 2006 Vol.19 No.4 ● 223(C) 2006 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research核共鳴散乱実験では，吸収のエネルギー幅が meV から

neV と極めて狭く，核共鳴散乱に寄与する X 線が極端に少ないので，その時間分解測定には高い S / N 比が要求される。この実験で測定対象となるのは，放射光の照射後，原子核の寿命に対応してサブナノ秒からマイクロ秒で発生する核共鳴散乱 X 線である。この実験においては，核共
鳴散乱 X 線とは別に発生する電子散乱 X 線の影響をいかに抑えるかが，測定精度を左右することになる。電子散乱

X 線は放射光の照射後ピコ秒以下の短時間に発生する X
線で，核共鳴散乱 X 線の 105 から 1010 も強力な X 線である。メインの単パルス光によって引き起こされた核共鳴散乱過程が続いている間に，10－10 以上の不純度の不純バン
チによるパルス光の照射が行われた場合，不純バンチからのパルス光によって発生する電子散乱 X 線は，メインのFig. 1

Schematic illustration of the bunch puriˆcation at SPring-8.

単パルス光による核共鳴散乱 X 線と同程度の強度のノイズとなってしまう。これにより測定の S /N 比が著しく低
下してしまうため，核共鳴散乱実験においてはできるだけ純粋な単パルス放射光を供給しなければならない。そのた

ing-8 蓄積リングでは純度の悪化は起こらない。 SPring-8

めには，不要な放射光の原因となる不純バンチを除去し高において入射ビームの純度を悪化させているのは，線形加純度のバンチを生成する技術が必要となる。

速器の電子銃におけるグリッドエミッションによる暗電

SPring-8 では，核共鳴散乱実験における測定精度等に流，及び初段加速管上流部からのフィールドエミッション

より考慮された「主バンチから 2 ns 離れた隣のバケットによる暗電流が主なものである。蓄積リングでは純度の悪におけるバンチ不純度は10－9 以下とすること，10 ns の間化が起こらないことから，入射器において純化を行い高純の積分値についても同程度の不純度とすること」という実度の単バンチビームを蓄積リングに入射すれば，蓄積リン験者側の要請を当初の目標として，高純度バンチの生成とグでの高純度バンチ運転が実現可能となる。

バンチ純度測定技術の開発を行った。

3.2

3. 不純バンチの原因とバンチ純化の方法

バンチ純化の方法

Fig. 1 に SPring-8 におけるバンチ純化の概略図を示す。
SPring-8 では，線形加速器の電子銃直下流に配置したデ

本章では SPring-8 において不純バンチが生ずる原因とィフレクターによる電子銃の暗電流の除去，及びブース

それらを除去し，高純度バンチ運転を実現する方法につい

ターにおける RF Knockout (RFKO) による不純バンチのて解説する。本文中では，必要とする主バンチ以外の不要除去によりバンチ純化を行っている。入射器におけるバンなバンチを除去して高純度の単バンチビームを生成するこ

チ純化のプロセスを経て，蓄積リングの任意のバケットにとを「バンチ純化」と記述する。

精度良く高純度単バンチビームを入射することにより，蓄積リングにおいて高純度バンチを用いた多様なフィリング

3.1

不純バンチの原因

パターンを実現することが可能となっている。なお蓄積リ

一般に電子蓄積リングにおいて不純バンチが生ずる原因

ングでのバンチ純化は， 8 GeV という高いビームエネルには，入射ビーム自体の純度が悪いこと，蓄積リングに蓄ギーのため非効率であることや，バンチ純化のためにユー積中に徐々に純度が悪化していく現象が起こること，の二ザータイムが中断されることを避けるため，行われていなつがある。蓄積中に純度が悪化するのは，電子電子散乱い。

でエネルギーを得た孤立バンチ内の電子がバケットから飛び出し，その内の特定のエネルギーをもつ電子が後方のバケットに再捕獲されることが原因である1,2) 。 SPring-8 蓄
積リングの場合，電子エネルギーが 8 GeV と非常に高く

3.2.1

線型加速器のディフレクター

線形加速器は，電子銃で電子ビームを作り出し 1 GeVまで加速する，全長140 m の直線状の加速器である。

放射減衰の効果が大きいため，後方のバケットに再捕獲さディフレクターは，電子銃の直下流に配置した 2 つのれるためには非常に大きなエネルギー偏差が必要となる。

電極間に，電子ビームの時間幅 1 ns に合わせた時間差をしかしながら，そのようなエネルギー偏差を持つ電子は，

つけて－7 kV と＋7 kV のパルス状の高電圧を印加する装後方のバケットに捕獲される前にエネルギー分散の大きな置である。電子銃のグリッドエミッションによる暗電流

位置で真空ダクト等に衝突し失われてしまうため， SPr-

は，ディフレクターで径方向に曲げられ，電極の150 mm

224 ● 放射光 July 2006 Vol.19 No.4

トピックス ■ SPring-8 における高純度バンチ運転

下流にあるアイリスに当てることにより除去される。まな方法である。ブースターでは垂直方向のダクト寸法がた，ディフレクター下流部の初段加速管上流部からのフ30 mm と小さいため，垂直方向にキックを行う。Fig. 2 にィールドエミッションも暗電流の原因となることがわかっブースターにおけるビームエネルギーのランピングパターており，加速管に供給する電力を減少させるように調整す

ン，入出射のタイミング，及び RFKO を行う区間を示ることで暗電流を抑制することが可能となっている3,4)。

す。電子ビームが 1 GeV の低エネルギーの時に長時間キックを行えるよう， 250 msec のフラットボトム区間を設

3.2.2

ブースターの RFKOけている。キックの効率を上げるためにはブースターを周ブースターは，線形加速器から入射された 1 GeV の電回している電子ビームの固有振動に共鳴するような周波数

子を 8 GeV まで加速して蓄積リングに入射するための，でのキックが有効である。垂直方向のベータトロンチュー

周長400 m のレーストラック型の円形加速器である。線型ン（リング一周当たりのビームの固有振動数）が8.78回で加速器で除去しきれなかった暗電流による不純バンチは，あるため，周回周波数の756 kHz に1.78（整数＋チューン

ブースターに設置された RFKO システムにより除去されの小数）を掛けた周波数である1.35 MHz 近傍の信号でキる5,6) 。 RFKO による純化は， 4 本のストリップライン型

ックすることで電子ビームの振動を励起し，効率よく不純電極に大電力の高周波信号を供給し，電子ビームを垂直方

バンチを除去することが可能となる。初期の設計では，蓄向にキックして真空ダクトに衝突させるという極めて単純積リングへの入射時間短縮のために，1 サイクル当たり最大 8 パルスの入出射を可能としていた。これら 8 つのバケットに入射されたバンチには影響を与えることなく，他のバケットに入った不要なバンチのみを除去することがRFKO システムの目的である。しかもこれら 8 つのバケットからわずか 2 ns しか離れていない隣のバケット内の電子をも除去しなければならない。

Fig. 3 に RFKO システムのブロック図を示す。8 つのバケットの電子を残すように周回周波数の 4 倍の繰り返し
周波数をもつ矩形波を用いることとした。矩形波の約 4

ns の速い立ち上がり立ち下がりのゼロクロス部を，電子を残したい 8 つのバケットに一致させることにより，
主バンチを残しつつ 2 ns 離れた両隣のバケットに存在す
Fig. 2

Beam energy pattern of booster synchrotron. RFKO system
operates at 1 GeV ‰at-bottom after beam injection.

Fig. 3

る不必要なバンチをキックすることができる。加速周波数508.58 MHz を外部クロックとして任意波形発生器で作成

Block diagram of RFKO system of SPring-8 booster synchrotron.

放射光 July 2006 Vol.19 No.4 ● 225

した矩形波に，シンセサイズド信号発生器から出力される
垂直のベータトロンチューンと共鳴する周波数のサイン波を掛け合わせることにより，RFKO 波形が作成される。
ゼロクロス部のタイミング調整は，508.58 MHz をクロックとする Synchronous universal counter (SUC) のデジ
タルディレイ出力の出力タイミングとフェーズシフターの調整により行われる。SUC のデジタルディレイ出力により主バンチのバケットのアドレスを選択し，フェーズシフ
ターで約 1 ns の範囲の微調整を行うことによりゼロクロ
ス部と主バンチとを40 ps 以下の精度で一致させている。

RFKO 信号は最大1.2 kW 出力が可能なハイパワーアンプで増幅し，ビームを垂直方向にキックするよう 2 電極だけ位相反転を行い 4 電極に分配する。電極は長さ 1 m のストリップライン型であり，電極出力側では－30 dB のア

Fig. 4

ッテネーターを通して RFKO 出力信号がモニターされる。

4. バンチ純化で重要となるパラメーターの調整

Time variation of vertical betatron tune.

GeV 区間の磁場を変化させていたため，ベータトロンチ
ューンが一定に保たれていなかった。電磁石電源の出力は磁場を一定に保つようなフィードバックを行っていないた

これまでに高純度のバンチを達成するために数々のスタめ，チューンの変化を測定しながら，チューン値が一定にディを行い，バンチ純度に密接に関わるブースターの運転なるようにフラットボトムにおける励磁電流パターンの再パラメータ ーについて の最適化を 行っている 。以下に調整を行った。ベータトロンチューンを変動させるもう一

RFKO システムのチューニングと同時に行う，各種運転

つの大きな要因として，電磁石電源のリップル成分があパラメーターの調整について説明する。

る。電磁石電源はサイリスタよる 12 パルスの出力制御を

4.1

出力電流にリップルを生じさせる。電流リップル抑制のた行っているため，商用周波数である60 Hz の高調波成分がベータトロンチューンの均一性

RFKO に より 不 純 バ ンチ を 効 率 よ く除 去 す る ため にめ，ベータトロンチューンを観測しながら電源のアクティ

は，ベータトロンチューンを一定にして共鳴状態を長時間ブフィルタの調整を行い出力電流の高調波成分の抑制を行保つことが重要である。ブースターの電磁石の磁場はあらった。その結果， 60 Hz, 120 Hz の低い周波数成分の影響

かじめ決められたビームエネルギーのパターンに従い変動が大きいことがわかり，これらを抑えるように調整を行っしているため，ある程度のチューンの変動は避けられなた。これらの調整により，ベータトロンチューンの変動をい。ビームの入射から出射までのチューンの変動を精度良最小に抑えることができるようになった。Fig. 4 に調整後く測定することは最適なベータトロンチューンを設定するの垂直方向のベータトロンチューンを示す。チューン値はためには必要不可欠である。リアルタイムスペクトラムア

8.78でほぼ一定値を保っている。

ナライザー（ Tektronix  3056 ）の高速 FFT 解析によりまた， RFKO 周波数とバンチ純度の関係についてスタ

ビーム入射から出射までのチューンの時間変化が測定可能

ディを行った結果，RFKO 周波数の変動が±500 Hz の範となり，チューンの調整が容易になったことがバンチ純度

囲内であればバンチ不純度の増加に大きな影響がないことの向上に非常に役立っている。このチューン測定により，がわかっている。従って，バンチ純化を行っている間はベータトロンチューンの周波数を変動させる要因がいくつ

RFKO 周波数とベータトロンチューンの共鳴周波数が相か存在することが確認され，これらの抑制が必要になっ対的にこの周波数範囲からずれないようにする必要があた。

る。ベータトロンチューンの変動に関して，ビームエネル

まず問題になったのが， RFKO を行うフラットボトム

ギーの変動によるベータトロンチューンの変動の割合を表区間における四極電磁石の磁場の変化が大きく，ベータト

すクロマティシティというパラメーターがある。クロマテ

ロンチューンを変動させていたことである。 1 GeV におィシティが大きいほどベータトロンチューンの変動の可能

ける電磁石電源の出力電流は電流偏差が 2 × 10－4 以下の性が高くなるため，フラットボトム区間においてはクロマ

精度で出力される。ところが， 1 サイクルごとに 1 GeV

ティシティを 0 に保つように六極電磁石の励磁電流を調から 8 GeV に変化する動的な磁場は必ずしもその電流パ整している。

ターンと同じ精度で制御されていなかった。立下り後に磁気余効と呼ばれる遅い変動磁場がフラットであるはずの 1

226 ● 放射光 July 2006 Vol.19 No.4

トピックス ■ SPring-8 における高純度バンチ運転

不純度を意図的に高くしたためである。結果は予想通り加速電圧がバンチ純度に大きく関係することを示すものであった。幸運なことに，この結果は加速電圧を高くすれば指数関数的にバンチ純度が向上することを示すものであった。
以上の結果より，ビーム不安定性を生じることなく安定な運転が可能な加速電圧の上限値の調査を行った。加速電圧を変化させるとシンクロトロンチューン（ビームの進行方向における振動数）が変化してベータトロンチューンとの共鳴が発生し，大きなビーム損失を生じるポイントがい
くつか存在することがわかった。これらシンクロベータ
結合共鳴によるビーム不安定性を避け，かつ高いバンチ純度が得られる最適な加速電圧として，設計値の 2 MV から6.4 MV へ変更することにより，バンチ不純度を二桁近く下げることができた。

5. バンチ純度モニター
SPring-8 蓄積リングにおける少数バンチ，ハイブリッ
ドモード時のバンチ電流値は0.3 mA から1.5 mA の値であるが，本章では 1 mA をバンチ電流の典型的な値として話を進める。SPring-8 蓄積リングの場合，バンチ電流 1 mAの孤立バンチの中には 3×1010 個の電子が含まれている。
孤立バンチ前後のバケットにおいて電子の有無を判断するためには 3×1010 以上のダイナミックレンジとバンチ間隔
Fig. 5

Relation between the acceleration voltage of the booster andthe bunch impurity. Upper (a) is －1 st bucket and lower(b) is ＋1 st bucket, which are just before and after the main
rf bucket, respectively.

2 ns 以下の時間分解能を有するモニターが必要となる。
多くの放射光用電子蓄積リングにおいて，バンチ純度の測定法として光子計数法が採用されている1,2) 。光子計数
法は，放射光を一つ一つの光子として検出し，その検出タ
イミングとバンチの周回に同期した基準信号との時間差を統計処理し，各バンチから放出される放射光パルスの平均

4.2

高周波加速電圧とバンチ純度の関係的な時間構造を測定する方法であり，広いダイナミックレ

以前にバンチ純度が 1 桁程度悪化する異常が発生し，ンジを有する測定法として知られている。しかしながら，原因調査を 行った。こ の時発生し ていた機器 の異常はそのダイナミックレンジを実現するためには長時間の測定

508.58 MHz 基準信号を伝送する光ファイバーが折れたこを必要とし，また仮に長時間の測定が可能だとしても，光とによる信号のレベルと位相の変化であった。ブースター

子検出器や信号処理系がもつ有限の時間応答特性やノイズでは 2 台のクライストロンを使用し，それぞれのクライ特性のため，実現できるダイナミックレンジには限界があ

ストロンの相対位相を 1 GeV の低エネルギーでは反対位る。これらを考慮すると光子計数法の現実的なダイナミッ

相になるように， 8 GeV では同位相になるようにして実

クレンジは106 程度であり，目標とする1010 台のダイナミ

効的な加速電圧の制御を行っている。ところが光ファイ

ックレンジには到底及ばない。そこで我々は，可視光領域

バーが折れたことにより位相制御が異常となり，加速電圧で動作する高速光シャッターを開発し，光子計数装置と組が大きく変動していた。

み合わせることにより 1010 台のダイナミックレンジと 2

純度悪化の原因が加速電圧の変動にあることを確認するため，主バンチの隣のバケットについて， 1 GeV フラッns 以下の時間分解能を有するバンチ純度モニターの開発を行ってきた。

トボトムの加速電圧を変えながらバンチ不純度の変化を測定した。結果を Fig. 5 に示す。－ 1 はメインバンチの前方

5.1

光シャッターを，＋1 は後方のバケットを表す。バンチ不純度が高いの

光シャッターは二つの偏光子とその間に置かれたポッケ

は，測定に要する時間を短縮し，かつバンチ不純度の加速

ルスセル，セルを駆動する高電圧パルサーで構成される。

電圧依存性を明確にするために， RFKO の出力を下げてポッケルスセルは，内部の結晶に電界を印加することで屈放射光 July 2006 Vol.19 No.4 ● 227

折率の変化を起こさせ，結晶中を伝播する光の偏光状態をる場合でも，消光比105 の光シャッターを用いれば，光パ変化させる光学素子である7)。偏光子の偏光方向を互いにルスの強度比を 105  1 にまで下げることができる。これ直交する向きに配置した場合を考える（Fig. 6）。セルに電は通常の光子計数法で十分測定可能な値である。

圧が印加されていない時は，セルを通過しても偏光状態が変化せず，光は後方の偏光子を通過できない（光シャッ5.2

セットアップター閉）。一方，セルに電圧を印加して結晶に電界をかけ

SPring-8 蓄積リングのバンチ純度モニターは加速器診

ると，セルを通過する間に偏光状態が変化し，光がセル後断（BL38B2）に設置されている。加速器診断は偏向方の偏光子を通過することになる（光シャッター開）。

電磁石を光源とするビームラインで，電子ビームの診断や実際には，光の角度広がり，結晶の不完全性，アライメ

加速器を構成する機器の試験開発等を行うことをその目的

ント不足等により光シャッター閉の状態でも微少な光が透としている8)。加速器診断光学ハッチ内に設置されてい過してしまう。光シャッター開時と閉時の透過光量の比でる輸送チャンネル部の機器構成を Fig. 7 に示す。バンチ純「消光比」を定義すると，孤立バンチの前方あるいは後方度測定に用いる放射光の可視光成分は，輸送チャンネル上の不純バンチにタイミングを合わせ，高速のパルス電圧を流部に設置された真空中のミラーによって下側に反射さ加えて光シャッターを開くことにより，光シャッター通過

れ，石英窓を介して大気中に取り出される。取り出された後の光パルスの強度比を消光比の分だけ小さくすることが可視光は鉛遮蔽された輸送管を通って光学ハッチ外に導かできる。孤立バンチと不純バンチの強度比が10101 であれ，バンチ純度モニターが設置されている可視光暗室内に導入されている。

SPring-8 蓄積リングのバンチ純度モニターの光学系をFig. 8 に示す9)。105 台の消光比を実現するため，偏光子を4 個，ポッケルスセルを 2 個用いて二段構成の光シャッ
ターとしている。高速時間応答を実現し，また 1 台の高電圧パルサーでの駆動を可能とするため，ポッケルスセルには 50 Q 同軸線路型の高速ポッケルスセル（ FastPulse
Fig. 6

Conceptual drawing of the light shutter system.

Fig. 7

Fig. 8228 ● 放射光 July 2006 Vol.19 No.4

Technology, N1072FW ）を使用している。光子計数装置

Transport channel of BL38B2.

Purity monitor of SPring-8 storage ring.

トピックス ■ SPring-8 における高純度バンチ運転の光子検出器にはマイクロチャンネルプレート内蔵型光電子増倍管（MCP PMT ，浜松ホトニクス R3809U 52）を用いている。 MCP PMT は光電子の増倍にマイクロチャ
ンネルプレートを用いているため，高利得かつ時間分解能に優れるという特長がある。また R3809U 52 は光電面に紫外光対応の材質を用いており，低熱ノイズであるという特長がある。 MCP PMT 及び後段の信号処理系による数え落としを避けるため，MCP PMT に入射される放射光は直前の ND ˆlter により孤立バンチが約百周する間に一個の光子が検出される程度にまで減光されている。
Fig. 9

6. 高純度バンチ運転の現状
6.1

Time spectrum of the single bunch beam injected with the RF
KO of the booster synchrotron.

純化性能

入射器での純化の性能を評価するため，入射器で純化さており，＋1 バケットに相当する時間位置では百カウント

れた単バンチビームを蓄積リングの一つのバケットだけに程度のイベントが検出された。これらのピークは光シャッ

入射してバンチ電流 1 mA の単バンチ運転を行い，バンチ

タ ー を 閉 じ て 測 定 し た 場 合 に は 現 れ な い た め ， MCP 

不純度を測定した。

PMT や信号処理系の時間応答特性，ノイズ特性によるも

主バンチの前方及び後方のバケットにタイミングを合わのではなく，主バンチの後方で光シャッターを開くことにせて光シャッターを開き測定した時間プロファイルを Fig.

よって現れたピークであるといえる。現時点では，＋1 バ

9 に示す。縦軸はカウント数で，光パルスの強度に相当す

ケットで検出されたイベントが不純バンチからの光子を検る。横軸はバケット間隔 2 ns で規格化した時間を表して出したものであるか，光シャッターの光学系で起こる多重いる。 0 が主バンチ，－ 1 ，＋ 1 はそれぞれ，主バンチの反射等によるノイズであるかの判別ができていない。しか直前，直後のバケットに相当する時間位置を表す。測定時しながら，仮にこれらのイベントが全て光子を検出したも間は前方，後方の測定とも 500 秒ずつとした。 Fig. 9 のプのであるとしても，＋1 バケットでのバンチ不純度は最大

ロファイルは二つの測定データをつなぎ合わせて得られた

で 7 ×10－10 となり，入射器での純化により高純度の単バものである。主バンチのデータは主バンチ後方で光シャッンチビームが生成されていることがわかる。また，以上のターを開いて測定した時のデータを用いている。1 mA の結果から，我々が開発したバンチ純度モニターは，バンチ

主バンチの光子計数率は2.7 kcps であった。主バンチのプ

電流 1 mA の単バンチに対して，直前のバケットで 2 ×

ロファイルを見ると，メインピークの直後に弱いピークが10－11，直後のバケットで 7×10－10 の測定感度を有してい現れ，さらに＋ 1 バケット付近まで延びる裾が現れていると評価できる。

る。このプロファイルは，バンチの時間構造と測定系の時間応答とを掛け合わせて得られる時間構造を表したもの

6.2

トップアップ運転時のバンチ不純度

で，実際のバンチがこのような時間構造をしているわけで

SPring-8 蓄積リングでは， 2004 年 5 月からユーザー運はない。実際のバンチはガウス分布に近い構造をしてお転時にトップアップ運転が行われている10,11)。トップアッり，その時間幅は約40 ps と非常に短いため，メインピー

プ運転とは，ビーム寿命により失われた電子を継ぎ足し入

クから後ろの構造は全て測定系の時間応答特性を表してい射で補い，蓄積電流を一定に保つ運転である。現在は蓄積るといえる。測定系の時間応答特性が悪く裾の部分が＋1

電流を 99 mA ± 0.1 に保つことができている。少数バン

バケット以降まで重なってしまう系の場合には，主バンチ

チモードやハイブリッドモードでは，バンチ内電子数が多後方での不純度評価に悪影響を与えることになるが，我々

くバンチ内の電子電子散乱によるビーム損失の影響が顕の現在のシステムでは問題となるレベルではない。

著なため，ビーム寿命が 20 数時間と非常に短い。トップ

Fig. 9 のデータでは，主バンチ直前の－ 1 バケットではアップ運転の導入により，これらの運転モードにおいて光子を一つも検出することができなかった。事前に測定しも，事実上，ビーム寿命が無限とみなせるようになり，平ておいた光シャッターの消光比105 と主バンチの光子計数

均輝度の格段の向上が期待されている。

率を用いると，－1 バケットでのバンチ不純度は 2×10－11

少数バンチ，ハイブリッドモードでのトップアップ運転

以下と評価できる。 1 mA の主バンチには 3 × 1010 個の電では蓄積電流を一定に保つだけでなく，各孤立バンチのバ子が蓄積されていることから，このビームでは－1 バケッ

ンチ電流を一様かつ一定に保つようトップアップ入射が行

トには電子が全く存在しない，と結論付けることができわれている。しかしながら，少数バンチ，ハイブリッド

る。一方，主バンチの後方には複数の細かいピークが現れモードでのトップアップ運転時には，高いバンチ純度を長放射光 July 2006 Vol.19 No.4 ● 229

バケットに約 50 個の不純電子が入射されたことに相当する。この間，孤立バンチには約15 mA の電流（5×1011 個の電子）がトップアップ入射されたので，入射ビームの平均 的 な不 純度 は ＋ 1 バケ ッ トに お いて 1 × 10－10 であ った，と評価できる。一方， Fig. 10 ( b )に示すトップアップ
運転期間では，孤立バンチに約2.5 mA（8×1010 個の電子）がトップアップ入射されたが，＋1 バケットにおける不純度の増加は観測されず，測定感度 7 ×10－10 以下の状態を保ち続けることができていた。
トップアップ運転中のバンチ不純度の増加を防ぐためには，機器の故障等により純化されなかった単バンチビーム
が蓄積リングに入射されることを防ぐ必要がある。現在はRFKO 出力が低下した場合にトップアップ入射を停止す
るインターロックを組み，バンチ純度が悪化するのを防いでいる。今後はトップアップ入射を停止することなく高純度バンチが保てるよう， RFKO システムのハイパワーア
ンプ，及びキッカー電極を二重化した純化システムの導入
Fig. 10

Variation of bunch impurity during the top-up operation.

を計画中である。

7. まとめ期間に亘って保ち続けることも重要である。微少な不純バ
ンチのビーム寿命は孤立バンチに比べて桁違いに長く，不SPring-8 では高純度の孤立バンチを達成するために，

純バンチ内の電子が失われることはほとんどないと言って入射器におけるバンチ純化法と蓄積リングにおけるバンチ

よい。純度の悪い入射ビームを使ってトップアップ運転を

純度測定法の開発を行ってきた。現在の純度測定結果では，行った場合，孤立バンチ内の電子数が一定に保たれる一方

1 mA の単バンチビームに対して，主バンチ前方のバケッ

で不純バンチ内の電子数は入射の度に増え，バンチ純度がトでは 2×10－11 以下，後方では 7×10－10 以下のバンチ不徐々に悪化していくことになる。これを防ぐためには，長純度が達成されている。ただし，トップアップ運転の開始

期間に亘って高純度の単バンチビームを安定に生成供給

以降，ビーム入射回数の増加によるバンチ不純度の増加ができる純化システムを実現することが重要である。

懸念されており，一週間の運転期間において，主バンチ後SPring-8 蓄積リングにおけるトップアップ運転時のバ方のバケットで 1 × 10－9 の不純度の増加が確認されていンチ不純度の推移を Fig. 10 に示す。 Fig. 10 ( a )はハイブリる。今後は，トップアップ運転においても高純度のバンチ

ッドモード（この時は 2 /21 バンチトレイン＋ 18 バンチを保つことができるように，純化システムの高度化を行う

全周を21等分して 2 /21に連続バンチを，残りの部分に18予定である。

個の孤立バンチを等間隔に配するフィリング）時に， Fig.

10 ( b )は少数バンチモード（この時は 203 バンチ全周に謝辞

203個の孤立バンチを等間隔に配するフィリング）時に，

バンチ純化システム並びにバンチ純度測定法を開発する

特定の孤立バンチに注目して，その直後のバケット（＋1

機会を与えて下さいました JASRI 加速器部門の熊谷教孝

バケット）の不純度を約一週間にわたって測定した結果で部門長，大熊春夫運転軌道解析 Gr. リーダー，米原博人

ある。この間はビームアボート等のトラブルはなく，トッリング加速器 Gr. リーダーに感謝致します。バンチ純度測

プアップ運転が安定に継続されていた。先に述べたよう定システムの開発に御協力頂いた高野史郎光診断チームに，＋1 バケットでは測定系のノイズの影響を除去しきれリーダー，本記事を執筆するにあたって有益な助言を頂いていないが，＋1 バケットの時間位置で検出されたイベン

た田中均軌道解析チームリーダーに感謝致します。また，

トが全て放射光光子によるものと仮定してバンチ不純度の利用研究促進部門構造物性グループの依田芳卓主幹研究

上限値を図示している。

員には利用実験における有益な情報を頂いたことを感謝し

Fig. 10 ( a )に示すトップアップ運転期間では，注目したます。

孤立バンチ直後の＋1 バケットにおいて，1×10－9 の不純

参考文献

度の増加が観測された。トップアップ運転によって孤立バ
ンチのバンチ電流値は約1.5 mA （バンチ内の電子数は4.5×1010 個）に保たれていたので，この不純度の増加は＋1

230 ● 放射光 July 2006 Vol.19 No.4

1)

T. Kasuga et al.: Jpn. J. Appl. Phys. 28, 541 (1989).

トピックス ■ SPring-8 における高純度バンチ運転

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

T. Obina et al.: Nucl. Instr. and Meth. A354, 204 (1995).
T. Kobayashi et al.: Proc. of European Part. Acc. Conf.,
2687 (2002).
Paris, France 2685
T. Kobayashi et al.: Proc. of European Part. Acc. Conf., Lu1326 (2004).
cernes, Switzerland 1324
H. Suzuki et al.: Nucl. Instr. Meth. A444, 515
533 (2000).
T. Aoki et al.: Proc of the 2003 Part. Acc. Conf., Portland,2553 (2003).
USA, 2551
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8)

H. Ohkuma et al.: Proc. of the 1st Ann. Meet. of Part. Acc.
Soc. of Japan and the 29th Lin. Acc. Meet. in Japan,
Funabashi, p593595.
9) K. Tamura, T. Aoki: Proc. of the 1st Ann. Meet. of Part.
Acc. Soc. of Japan and the 29th Lin. Acc. Meet. in Japan,
Funabashi, p581583.
10) H. Tanaka et al.: Proc. of the 2004 Euro. Part. Acc. Conf.,
224.
p222
11) 田中 均 他放射光 18, 57 (2005).

● 著者紹介 ●
青木

毅

田村和宏

財団法人 高輝度光科学研究センター
E-mail: aoki＠spring8.or.jp
専門加速器工学［略歴］
1992 年 3 月，北海道大学大学院工学研
究科原子工学専攻修士課程修了。 1992
年 4 月より特殊法人 日本原子力研究所入所し， SPring-8 ブースターの建設に従事。1999年 7 月から現職。

財団法人 高輝度光科学研究センター
E-mail: tamura＠spring8.or.jp
専門加速器物理学［略歴］
1997 年 3 月，広島大学大学院理学研究科物性学専攻博士課程修了。理化学研究
所基礎科学特別研究員を経て，2000年 4月から現職。 SPring-8 蓄積リングにおいて加速器診断用ビームラインの建設に従事し，現在に至る。

Operation with highly puriˆed isolated bunches
at SPring-8
Tsuyoshi AOKI
Kazuhiro TAMURA

Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI)
111 Kouto, Ssyo-cho, Sayo-gun, Hyogo 6795198, Japan
Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI)
111 Kouto, Ssyo-cho, Sayo-gun, Hyogo 6795198, Japan

Abstract In SPring-8, routine operation with isolated bunches of high bunch purity and high bunch current
has been performed, and user-experiments that require single pulse synchrotron radiation, such as the time
resolved experiments, have been carried out. Bunch purity shows how much the synchrotron radiation is pure
pulse light, and is deˆned as the ratio of number of electrons in an isolated bunch to that in an unwanted buncharound the isolated bunch. We have achieved the high bunch purity of 109～1010, and high uniformity andstability of the bunch current of each isolated bunch. This article shows how to form the highly puriˆed single
bunch beam at the SPring-8 injectors and how to measure the bunch purity with high resolution at the storage
ring. The article also illustrates the beam performance in highly puriˆed bunch operations.

放射光 July 2006 Vol.19 No.4 ● 231