コヒーレンス光源をめぐる世界の技術動向とSPring‐8 アップグレード計画
理研放射光科学総合研究センター
先端光源開発研究部門
回折限界光源設計検討グループ
田中 均

2013/6/1

放射光光源将来計画に関する討論会

1Outline• 光源の低エミッタンス化の歩み• 高コヒーレンスを可能にした最近の進展• ESRFの高コヒーレンスリングへのアプローチ• SPring‐8のアップグレードにおける基本戦略• 加速器設計の現状• 課題と今後の検討スケジュール

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２種類の高コヒーレンスリング型光源、（蓄積型）とERL（非蓄積型）との一般的比較
蓄積リング（蓄積型）

ERL（非蓄積型）

平均輝度

1022~1024

1022~1024

設置可能BL数

30~60本30~60本

空間干渉度

数10%

数10%

ピーク輝度~1025~1027~1025~1027

パルス幅

長い (数10ps)

短い (100 fs~2 ps)

安定度高い (ΔE/E~10-5, ΔI/I~10-4)低い (非蓄積型：未知数)

実験中断頻度低い（平均Fault間隔>1日）

高い(非蓄積型：未知数)

運転信頼性高い低い (非蓄積型：未知数)

消費電力

小さい

大きい

主要機器開発リスク低い

高い

費用対性能

高い

低い

放射線遮蔽

SPring-8と同程度遙かに高い遮蔽を要する（非蓄積型：未知数）

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１. 低エミッタンス化の歩み

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1.1. 1980年初頭~2000年• Early days: 挿入光源設置に最適化されたChasman-Green, TBAラ
ティスの低エミッタンス化の指針
M. Sommer, “Optimization of the emittance of electrons (positrons) storage ring”,
Laboratoire de l'Accelerateur Lineaire, LAL/RT/83-15, 1983
Y. Kamiya and M. Kihara, "On the design guideline for the low emittance synchrotron
radiation source", National Laboratory for High Energy Physics, KEK 83-16, 1983
L. C. Teng, "Minimum emittance lattice for synchrotron radiation storage rings", Argonne
National Laboratory, LS-17, 1985

• Further emittance reduction based on CG and TBA:
有効エミッタンスを導入してさらなるエミッタンスの低減化を目指す
L. Farvacque et al., “Possible retuning of the ESRF storage ring lattice for reducing thebeam emittance”, Proc. of EPAC’94, 1994, pp. 612-614
H. Tanaka and A. Ando, ”Minimum effective emittance in synchrotron radiation sourcescomposed of modified Chasman Green lattice", NIMA 369 (1996) 312
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1nmradを下回るエミッタンスを現実的な周長で実現できない時期が長く続いた
この限界を打ち破る１つの候補としてERLにスポットライトが欧米

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1.2. 2000年~2011年• Emittance reduction with MBA+Exotic BM: 1nmradを下回る挑戦的マルチベンドが登場
R. Nagaoka and A. Wrulich, “Emittance minimisation with longitudinal dipole fieldvariation”, NIMA 575 (2007) 292
M. Eriksson et al., “Some small-emittance light-source lattices with multi-bend achromats”, NIMA 587 (2008) 221
Chun-xi Wang, “Minimum emittance in storage rings with uniform or nonuniform dipoles”,
PRSTAB 12 , 061001 (2009)2013/6/1

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1nmrad を下回るエミッタンスが3 GeVのミディアムエネルギー可能に
この限界を打ち破る１つの候補としてERLにスポットライトが欧米

X線をアンジュレータの基本波でだせる条件には届かず
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2.高コヒーレンスを可能にした最近の進展

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92.1.有限周長での低エミッタンス化の困難さ
エミッタンスのスケーリング

ε nat = Cq

γ 2 H ρ3
Jx 1 ρ2γ 2θ 3
∝Jx

γ : Lorentz factorθ : Bending angle
ρ : Bending radius
H : H-function
Jx: Damping partition number

4103102101100

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強い６極電磁石と極端に小さいDA
2, Q ~80 T/m
SX ~13000 T/m6BAε design  3ε min∝ ( N b − 1)

40−30.430

β100.36BA200.2

100.10468 10 1205No. of B / Cell放射光光源将来計画に関する討論会

101520s (m)25D

Emittance (pm.rad)

マルチベンド化によるエミッタンスの低減

030
102.1.有限周長での低エミッタンス化の困難さ直面した２つの大きな問題• 限定された周長のもとで偏向電磁石の数を増加
FocalLength が逆比例して短く強い４極電磁石• 多数の強収束４極 + 低分散関数
強い６極電磁石問題１：製作並びに運転が困難な４極、６極電磁石が必要• 強い６極電磁石の誘起する複雑な構造共鳴の励起• 少数の支配的構造共鳴線の抑制では制御不能
問題２：安定運転に必要なダイナミックアパーチャを確保できない2013/6/1

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112.2. 4つのアイデアが限界突破を実現
限定されたリング周長においても以下の4つのアイデアを導入する
ことで100 pmradに迫るエミッタンスを実現
アイデア１：６極ペアを位相π 離して配置 (interleaved SX pairs)
非線形キック

非線形キックメインタームを相殺し、非線形性を大幅に抑制

アイデア２：マルチベンドセル内のエネルギー分散分布の対称性を敢えて崩し、分散のピークを生成し、そこに６極電磁石を集中配置

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2.2. 4つのアイデアが限界突破を実現
限定されたリング周長においても以下の4つのアイデアを導入する
ことで100 pmradに迫るエミッタンスを実現
アイデア３：垂直収束偏向電磁石を用いた低ベータ、低エネルギー分散チャンネルによる位相整合と低クロマティシティの両立
垂直収束偏向電磁石

水平収束４極電磁石
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2.2. 4つのアイデアが限界突破を実現
限定されたリング周長においても以下の4つのアイデアを導入する
ことで100 pmradに迫るエミッタンスを実現
アイデア４：８極電磁石による振幅依存チューンシフトの制御

初めて、6 GeVという高い電子ビームエネルギーで広い電子の線形振動領域を確保した
100 pmradに迫る極低エミッタンスが実現

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3. ESRFの高コヒーレンスリングへのアプローチ

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3.1. Linear Optics

ベータ&分散サプレッサー
分散ピーク

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分散ピーク

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3.2. 常識を越えた低クロマティシティの実現

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173.3. 現状の第３世代リング並の安定性
Δφx< π3σ contour
inj. beam

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８極電磁石の導入

８極電磁石の導入

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HMB lattice V172-F

4. SPring-8のアップグレード
における基本戦略

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4.1. 境界条件
• 現蓄積リングトンネルを使用• 挿入光源BLの位置は不変• 電子ビーム入射点も変更せず• SACLAを入射器として使用• 工事期間直前までユーザー運転を実施し、加速器入れ替えは１年間で2013/6/1

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4.2. 目標性能と実現可能性の両立
エミッタンスの低減 ＋••••

鉄コアで製作可能な強さの電磁石
現実的な電磁石間スペース（アブソーバーや入射電磁石、モニター類の設置スペース）
安定な入射・蓄積が可能な動的安定性
現実的な磁場誤差と設置誤差

1. ６極電磁石の非線形性の抑制
2. 偏向角の細分化を緩和するエミッタンス低減化策の導入
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4.3. ６極電磁石の非線形性の抑制
1. ６極電磁石の磁場分布の改良
６極磁場が磁場中心付近のみに局在化できれば、大振幅での安定性は格段に改善
長所： Singletで使用できるので線形Opticsの設計が容易短所： 全く新しい挑戦であり、開発の目処が簡単に立たない

2. 位相整合６極電磁石ペアによる非線形性の実効的抑制
少なくとも設計エネルギーでは非線形性は大幅に抑制可能
長所： SPring-8でも既に実施済み、KEKB等でも豊富な使用実績
短所1： 位相整合条件を課したペアを用いるので、線形Opticsの設計に大きな制約条件
短所2： 位相整合条件が崩れるエネルギー偏差への最適化が課題
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4.4. 新たなエミッタンス低減化策「重ね合わせ可能」がキーワード
Equation of natural emittance:

ε nat = CqEmittance reduction schemes:γ 2 H ρ3
Jx 1 ρ2

1. Optimization of dipole field (ρ) in longitudinal(inside dipole and / or inside unit cell)
2. Reduction of stored energy (γ) with the help of advanced
undulator design
3. Damping partition number (Jx) control
4. Damping enhancement by additional radiation
5. Sophisticated optimization to approach to the theoreticalminimum (εdesign / εmin < 3)
6. Other reduction schemes
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4.5. Emittance Reduction Budget
In order to optimize the ring design by integrating several schemes, concept of“emittance reduction budget” is useful especially for the upgrade of the existing rings

Item

Dependence Value(Old→New)

Reduction Gain
基準は7 nm.radBeam Energy γγ2

8 GeV → 6 GeV

1.8Bend angle θθ32BA → 3BA
2BA → 4BA

8.0
27.0

Dipole field
optimization<H / ρ3> / <1 /
ρ2>

~2.0

Dampingenhancement

Damping byID, D.W.

1.4

Damping partition
number control
Opticsoptimization
Total
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1 / JxJx = 1 → Jx = 22.0

εdesign / εmin

~3 → ~2.5?

1.2放射光光源将来計画に関する討論会

78 pm.rad ~ 23 pm.rad90(3BA) ~ 300(4BA)245. 加速器設計の現状

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5.1. 目標電子ビーム性能
放射励起抑制振動減衰促進低エネルギー化

次世代
高コヒーレンス
光源

第３世代
水平成分
第２世代

垂直成分

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5.2. 現時点での電子ビーム性能（暫定）SPring-8
Electronenergy
Stored current
LatticeNaturalemittanceTune
Naturalchromaticity

SPring-8 II

8 GeV

6 GeV

100 mADB

DBA x 2(40.14, 19.35)

274 pm.rad*1
98 pm.rad*2(118.82, 47.71)(-88, -42)(-295, -223)

3400 pm.rad*1 w/o emitt. contr.
*2 w emitt. contr.
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5.3. Linear Optics（暫定）νν2013/6/1

垂直ベータ関数エネルギー分散

放射光光源将来計画に関する討論会ηx (m)

βx, βy (m)水平ベータ関数28

5.4. 非線形の最適化（暫定）ダイナミックアパーチャー
＠(βx, βy) = (14.4m, 1.8 m)

δ=0%

水平位相空間のポアンカ
レマップ（x方向, δ = 0%）

δ=+1%
δ=-1%

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5.5. 電磁石のパラメータ（暫定）
四極磁石

六極磁石

有効長 (m)B’ (T / m)

Q10.3025.5

Q20.6041.6

Q30.3539.9

偏向磁石

Q40.4012.3

有効長 (m)

Q5

0.40

38.8

BP10.12

Q60.35

44.0

BP2

0.14

Q70.8045.8

BP30.18

Q80.5046.1

BP40.254, 6極ボア径
1.55 =40 mm
1.160.80 偏向電磁石
ギャップ=25 mm
0.49

Q91.0039.5

BP50.410.24

ID中心Q1B” (T / m2)

SF0.301611

SD0.30841

SD SF SF SD
Q2 Q3 B1 Q4Q5Q42.2588 (m)2013/6/1

有効長 (m)0.320.565

0.050.05 0.05 0.05

放射光光源将来計画に関する討論会
0.20 0.20
0.720.72 0.20

B (T)

折り返し
B2 Q6 Q7

Q80.2150.20

Q9 / 20.840.315

305.6. 誤差感度とその抑制（暫定）真空チェンバーの口径(30H×16V)が狭くなる上に、誤差感度が３倍大きい
感度抑制とビームチューニングの工夫が必要• 架台内の精密アラインメントでNatural COD を抑制

BM BMBM

架台A 架台B
051015s [m]架台配置は現在最適化中であるが、左図の３架台配置にてSPring-8のアライメント実績値で以下を実現

BM<CODx>~6.1 mm, <CODy>~3.1 mm

架台C202530• SPBPMと測量データの活用でコミッショニングに対応。
Vertical COD [mm]10

再構成されたCOD測定されたCOD

5

アライメントデータで初期CODの予測が数mmの精度で可能補正でチェンバー口径内に追い込む

0-5-102013/6/1
050

100
150
200
Serial Monitor Number

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25030031

5.7. ビーム寿命と真空度（暫定）Touschek Lifetime [h] @ 0.1mA/bunch

Touschek 寿命 （0.1mA/バンチ）
10

Lattice-7 (E = 6GeV, VRF = 12MV)
Mom. Acceptance 3.0%

862.5%
42.0%

201.5%
1.0%
00.02 0.04 0.06 0.08
Coupling Factor κ0.1

非線形オプティクスの最適化などで運動量アクセプタンスの拡大を図っていく。
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バンチ電流値 ~ 0.1mA
カップリング比~ 10%での運転を想定。
→ バンチ内電子-電子散乱で決まる Touschek 寿命は~ 3時間→ バンチ伸長により~ 10時間
真空で決まる寿命は30~100 時間程度となるよう真空系を設計。

放射光光源将来計画に関する討論会

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5.8. 電子ビーム内散乱によるエミッタンスの劣化（暫定）"Emittance Reduction Budget" によって、さらなる低エミッタンス化（~100pmrad）を行っても、IBS によるエミッタンス増
大は 10% 以下（バンチ電流値 0.1mA 、カップリング比 10%）。
273 pmrad
Lattice-7

1.025

E = 6 GeV
VRF = 12 MV
ε0 = 273 pmrad
κ = 10%

1.020
1.015

100 pmrad
Lattice-7

1.20

E = 6 GeV
VRF = 12 MV

εu / εu01.15
Ratio

Ratio

Emittance Reduction

1.010ε0 = 100 pmrad
κ = 10%1.10
εv / εv0

εv / εv01.05

1.005

σs / σs0

σs / σs0
1.00

1.000
0
2013/6/1

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
Bunch Current [mA]εu / εu00.3

00.05 0.1 0.15 0.2 0.25
Bunch Current [mA]

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0.3
33

6. 課題と今後の検討スケジュール

2013/6/1

放射光光源将来計画に関する討論会

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6.1. 課題
• 真空系、電磁石系を成立させる条件下でリングの基本性能を上げるよう基本設計を最適化• 入射部のラティスの構築• 入射、モニター、エミッタンス制御等、必要な機器が設置可能なスペースの確保• 低エミッタンスの追求• DAの８極による拡大

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放射光光源将来計画に関する討論会

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6.2. スケジュール• 年度内に基本設計を完了• 少なくとも年度内R&Dの方針決定• 2014年夏に設計の国際レビューを予定

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放射光光源将来計画に関する討論会36

謝辞
本アップグレード計画に関わった理研、JASRI関係者の皆様に御礼申し上げます。特に、下崎義人、早乙女光一両博士には、加速器の現状で紹介したデータを準備頂き感謝致します。

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