濱広幸、早稲田嘉夫 ＋ ビーム物理研究部門
東北大学電子光理学研究センター
東北大学大学院理学研究科物理学専攻＋SLiT-Jデザインチーム
SPring-8/高輝度光科学研究センター/理研

SLiT-J/STIR

Synchrotron Light in Tohoku, Japan / Science, Technology, Innovation and Reconstruction

我が国の基礎科学と産業技術の革新的振興を図るとともに、ものづくり産業の優位性の維持とさらなる発展に活用するため、東北地方に中型高輝度リング型放射光施設の設置を目的に東北地区にある７つの国立大学法人の学長で構成された「東北放射光施設推進会議」が、平成24年8月30日に文部科学大臣に対し要望書を提出した。
東北放射光施設は、軟X線領域に特化した3GeV光源で、硬X線領域に優れた性能を有する既設のSPring-8と相互に補完する関係にあり、我が国がこの２つの光源を併せ持つことによって、基礎科学と産業技術の融合に顕著な相乗効果が期待される。
SLiT-J/STIR v. 2013.5

2

SLiT-J/STIR v. 2013.5

3

SLiT-J光源施設建設コンセプト
新サスティナブル産業の創世によるグリーンイノベーション
・放射光ナノアプリケーションによって、東北地域が持つ高い産業ポテンシャルを最大限引き出し、高付加価値製品を開発するとともに新産業を創成する。
・本邦のものづくりの国際優位性維持と発展に貢献する。
SPring-8と同等の光源性能を低コスト点短期間で建設
・既存の加速器、放射光、分析技術を最大限に集約する。
・建設コストを300億円以下に抑え、建設期間も3年以内をめざす。
水平エミッタンス1.2nmrad以下
・アジア最高輝度の世界最高水準の放射光を提供する。
徹底的省エネ設計
・消費電力3MW程度に抑える。
・施設内にメガソーラを設置し、大部分の電力の地産地消を可能にする。
今だならぬ東日本大震災からの真の復興のシンボルとしても！
SLiT-J/STIR v. 2013.5

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世界の高輝度放射光リング (ε<10nmrad)

運転中
建設中
計画中

DIAMOND
3 GeV – 2.7 nm

SLiT-J
3 GeV - 1.2 nm

MAX-IV
3 GeV – 0.3 nm

MAX-II
1.5 GeV – 8.7 nm

究極リング提案

PETRA-III
6 GeV – 1 nm

SOLEIL
2.75 GeV – 3.7 nm

BESSY-II
1.7 GeV – 5.2 nm

SLS
2.4 GeV – 5 nm

APS
7 GeV – 3 nm

PLS-II
3 GeV – 5.8 nm

BSRF
6 GeV – < 0.1 nm
SPring-8 II
6 GeV – < 0.1 nm

SSRF
3.5 GeV – 3.9 nm

ALBA
3 GeV – 4.3 nm

CANDLE
3 GeV – 8.4 nm

SPring-88 GeV – 3.4 nm
TPS
3 GeV – 1.6 nm

ILSF
3 GeV – 1.6 nm
ESRFII
6 GeV – < 0.1 nm

NSLS-II
3 GeV – 0.9 nm
ALS
1.9 GeV – 6.3 nm

TEVATRON
7 GeV – < 0.1 nm

PEP II
5 GeV – < 0.1 nm

ELETTRA
2.4 GeV – 7 nm

ESRF
6 GeV – 4 nm
ASP
3 GeV – 10 nm

SLiT-J/STIR v. 2013.5

SIRIUS
3 GeV – 1.8 nm

5SPring8-II (100pm)

KEK-ERL (17pm)
SLiT-J/STIR v. 2013.5

6

SR MAP in JAPAN 2013

国内には多数の小規模放射光リングがあるが、第３世代リングはSPring-8のみで、各国が保有・建設している最新の3GeVクラス高輝度リングはない。また施設のすべてが関東以西にあり、東北・北海道には放射光拠点がない。
Center ofGreat East Japan Earthquake
3.11, 2011

NUSR(1.2 GeV)
New-SUBARU(1.5 GeV)

KEK-PF-AR(6.5 GeV)

SPring-8 (8 GeV)
HiSOR (0.7GeV)

KEK-PF (2.5 GeV)

UVSOR (0.75 GeV)
SAGA-LS(1.4 GeV)

AURORA (0.6 GeV)

世界のシングルパス自由電子レーザー

運転中
R&D中
計画中

MAXIV-FEL
3.5 GeV – 10 nm

SLiT-J/SXFEL
3 GeV - 1 nm

BessyXFEL
2.3 GeV – 1 nm
EuroXFEL
12 GeV – 0.1 nm
FLASH
14 GeV – 0.1 nm
SwissFEL
5.8 GeV – 0.1 nm

NLS
2.25 GeV – 1.2 nm
SPARX
2.6 GeV – 5 nm

PAL-XEFL
10 GeV – 0.6 nm
DCLS
0.3 GeV – 50 nm

NGLS
2.4 GeV – 4 nm

LUNEX5? GeV – ? nm
SCSS
0.25 GeV – 50 nm

FERMI
1.5 GeV – 4 nm

SLiT-J/STIR v. 2013.5

Shanghai XFEL
6.4 GeV – 0.5 nm

SACLA
8 GeV – 0.1 nm

LCLS
14 GeV – 0.1 nm

VUV - 軟X線FELも世界各国が注目している8

東北3GeV放射光計画の立脚点と目標【背景】
最新加速器テクノロジーを駆使した3GeVクラスの中型放射光リングは、高輝度であり汎用性に優れた利用機能を備えることができる。放射光科学においての利用研究分野が広く、利用者数も極めて多い軟X線領域付近をカバーする中核施設を、本邦に開設することは、日本の放射光科学展開に急務である。
【期待】
先端3GeVクラス高輝度リングの施設規模は国内唯一の第３世代光源である
SPring-8の1/4程度であってもあり、軟X線領域での光源性能は現在のSPring-8のそれと同等以上を期待する事ができる。建設費用はもちろん、徹底的なエネルギー消費管理の導入によって運転経費も低く抑えられ、高いコストパフォーマンスを達成できる可能性を持つ。
【光源加速器目標】
最適化波長領域
最大輝度
水平エミッタンス
光源リング周長
将来オプション
その他
SLiT-J/STIR v. 2013.5

0.1 ~ 10 keV
1021 phs/s/mm2/mrad2/0.1%b.w. @ 1 keV~ 1 nmrad~ 300 mfull-energy入射可能な線形加速器によるsoft-XFEL
真空封じアンジュレータ、Cバンドリナック等の本邦独自の加速器技術の発展的継承
9高輝度光源設計の戦略●輝度とエミッタンス●理論的最小エミッタンス

沢山の偏向磁石からリングを構成し、１つの磁石の偏向角度を小さくすればエミッタンスは小さくなる。
☞リングは増々巨大になる
SLiT-J/STIR v. 2013.5
10

何かと話題のMAX-IV・７つの偏向磁石でセルを構成（両端のそれは半分の長さ）して、低エミッタンス化。
・マルチポールウィグラーを導入して放射減衰効果を増強し更に低エミッタンスを狙う。
・１セルが長いため周長が530mもありながら20セル。
・クロマティシティー補正の６極磁場が非常に強く、そのためにビーム動力学上の非線形性も極めて強い。
・その補正に８極磁石まで動員 ☞ 極端に複雑なビーム光学

マルチベンドに対する妥協点をどのように見いだすか

SLiT-J/STIR v. 2013.511

SLiT-J／４ベンドハイブリッドオプティクス

セル数： 14
偏向磁石： ４/セル、0.8 T、機能複合型
4極磁石： 全て収束用、5ファミリー
6極磁石： 6ファミリー
直線部： 5.0 m - 真空封じ型を中心とした挿入
光源、VUV-SX領域
1.1 m - 高エネルギー連続光源用多極
ウィグラーMulti-pole wiggler beam line
(soft - hard X-ray)

Undulator beam lines(VUV-Soft X-ray)

Sextupoles
Combined function
dipoleMulti-pole wiggler

Qudrupoles(In-vacuum) Undulator

SLiT-J/STIR v. 2013.512

Basic Parameters of SLiT-J Storage Ring (6pomex.lat)
電子ビームエネルギー

2.998 GeV

ラティス構造４-bend cell

周長
セル数

14

直線部

5.00 m14

短直線部

1.11 m14

ベータトロンチューン(25.85, 6.75)

自然クロマティシティ(-64.8, -44.7)

自然水平ミッタンス

1.10 nmrad

運動量収縮因子0.00055

自然エネルギー幅

0.0825 %直線部のラティス関数
減衰分配係数減衰時間
偏向磁石による放射損失
RF加速周波数(!x, !y, "x) = (13.2, 2.96, 0.069) m(D, Jx, Js) = (-0.442, 1.442, 1.558)(#x, #y, #s) = (8.2, 11.9, 7.6) ms
0.573 MeV/turn508 MHz

RF加速電圧3 MV

ハーモニック数576

自然バンチ長SLiT-J/STIR v. 2013.5

339.92 m

3.43 mm (11.1 ps)

13

ビーム動力学上の非線形補正による安定性の確保

十分な力学的口径（安定に周回しうる位相空間領域）を得るために☟消したいチューンシフトの数と同数以上のファミリーの非線形磁石を用いて最適化する

オンモーメンタム粒子及びオフモーメンタム粒子に関するダイナミックアパーチャー（直線部で観測）
SLiT-J/STIR v. 2013.514六極磁石のアライメントエラー（$ = 50 µm, 2$ cut）による力学的口径の縮小%p/p = -3 %%p/p = -2 %良好な結果が得られた !

%p/p = 0 %%p/p = +1 %SLiT-J/STIR v. 2013.5%p/p = -1 %%p/p = +2 %%p/p = +3 %15

全ての挿入光源を最小ギャップにした場合の電流依存ビーム性質変化&（水平'垂直エミッタンス結合比 !）1 nC/bunch => 169 mA (1/3 buckets case)
400 mA => 2.36 nC/bunch
水平エミッタンス! = 0.2 %■ ! = 1 %●!=2%
SLiT-J/STIR v. 2013.5

エネルギー広がり・挿入光源による放射減衰効果が大きい

タウシェク寿命->

エミッタンス減少

・400mA以上の高電流運転では光源性能劣化は免れない
・400mA以下でもトップアップ運転は必須
・リングインピーダンスやCSRによる不安定性の詳細調査が必要
16電磁石電磁石

員数

機能複合型電磁石

56

６極電磁石

196

４極電磁石

224

ボア径32mm

SLiT-J/STIR v. 2013.5

４極電磁石

偏向電磁石

６極電磁石

17高周波加速系
加速電圧：3 MV, 最大放射パワー：480kW, 空洞ロスパワー：340 kW

HOM抑制TM020空洞
シャントインピーダンス 6.8 MΩ
無負荷Ｑ値 60300
R/Q 113
SLiT-J/STIR v. 2013.518

挿入光源
代表的な挿入光源の光子エネルギー範囲、輝度／フラックス密度、放射光パワー分布の角度広がり、全放射パワー
輝度 [photons/s/mrad2/mm2/0.1%b.w.]、フラックス密度 [photons/s/mrad2/0.1%b.w.]

HXU（(u = 18 mm, Nu = 241, Kmax = 2.3）からの放射＠400mA

SLiT-J/STIR v. 2013.5

19

SXU1（(u = 42 mm, Nu = 104, Kmax = 2.97）からの放射＠400mA

SXU2（(u = 64 mm, Nu = 68, Kmax = 53.74）からの放射＠400mA

MPW1（(u = 40 mm, Nu = 20, Kmax = 6.62）、MPW2（(u = 50 mm, Nu = 16, Kmax = 9.35)
及びBend(0.8T)からの放射＠400mA

SLiT-J/STIR v. 2013.5

20

ビームラインビームラインの全体構成案

フロントエンドの機器レイアウト案 (X線アンジュレータビームライン用)
SLiT-J/STIR v. 2013.521

Cバンド-フルエネルギー線形入射器
Beam energy

線形入射器の諸性能
E

Energy spread%E/E

Energy stability

3 GeV
<1%

Beam charge

QCharge stability)Q

Normalized emittance*+< 0.1 %~ 1 nC (max)
0.5 nC (通常積み上げ時)~1%< 5 mm.mrad （入射用）~ 1 mm.mrad（FELモード）

Unnormalized emittance+< 1.7 nm.rad

Bunch length#< 5 ps

Repetition rate

SLiT-J/STIR v. 2013.5)Efrep

25 Hz (max)

入射器のレイアウト案

22

~1.7 keV

SLiT-J/STIR v. 2013.5

23

・・・・

入射器で考えること

何故シンクロトロンではないのか
建設費は安価（ただしロスなしトップアップを追求すれば巨大なものになる）
トップアップ時の消費電力が大きい
将来光源の発展性がまったくない
新竹DCガンかフォトカソードRFガンか？
DCガン 安定性 vs バンチングセクションの複雑化
RFガン シンプルな構成 vs トップアップに不利
Cバンド加速構造の採用
経費の増大はさほど大きくない
敷地面積を大幅に縮小できる
技術継承の意味は大きい

FELオプション
SASEでいいのか
シードFELやEEHGを積極的に展開すべきではないか建屋・消費電力

消費電力見込み
光源リング

2.02

線形入射器

0.25

制御系

0.10

ビームライン・実験系（24本）

0.24

施設・ユーティリティ

1.10

計

3.71 MW

約15400平米の加速器施設棟の屋上に0.22kw/m2の発電能力を持つソーラーパネルを設置すれば約3.4MWの発電量を得ることができ、ほぼ運転消費電力をまかなうことができる。
建屋平面図
SLiT-J/STIR v. 2013.525

SLiT-J 3 GeV Storage Ring□

水平エミッタンス□

トップアップで電流400mAを確保□□□

1.1 nmrad

軟X線領域（@~1keV）で輝度>1021phs/s/mrad2/mm2/0.1%b.w.
ﾌﾗｯｸｽ~1019phs/s/mrad2/0.1%b.w.
MPWを連続波長光源
硬X線領域で偏向磁石より２桁大きいフラックス
大電流シングルバンチでの不安定性抑制（私見ではあるが）蓄積リングで高い基本的なビーム性能を確保すれば、特徴ある高品位光源は先端的な挿入光源のチョイス・アイディアとビームラインの科学技術で実現する。リングに長い直線部が必要、というような考えは古い。

=> Beamline scientists の役割の重要性

SLiT-J/STIR v. 2013.526

Hirosaki University（弘前大学）

Akita University（秋田大学）

Yamagata University（山形大学）

Iwate University（岩手大学）
Miyagi University ofEducation（宮城教育大学）
Center ofGreat East Japan
Earthquake
3.11, 2011

Tohoku University（東北大学）

Fukushima University（福島大学）

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SLiT-J/STIR 未来予想図2017

東北の光放射光科学において世界に対抗できる基礎科学・イノベーション拠点を東北に！

Somewhere of a local town!
""
in Tohoku area.

CDR of SLiT-J, coming soon !

SLiT-J/STIR v. 2013.529