Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

OPERATIONAL STATUS OF THE SPring-8 STORAGE RING
H. Ohkuma and Accelerator Division of JASRI/SPring-8
Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI/SPring-8)
1-1-1 Kouto, Mikazuki, Sayo-gun, Hyogo, 679-5198, JapanAbstract
The SPring-8 storage ring has improved its reliability and beam performance. In 2003, the total operation time ofthe SPring-8 storage ring was 5328.5 hours. By three years' activities of an orbit stabilization project, we have taken aremarkable progress on improvement of the orbit stability of the storage ring. The top-up operation has been started
since May 20, 2004. The beam is injected at 1- or 5-minute interval to keep the stored current at 99mA. The temporalvariation of the stored current is about 0.1%. The operational status and recent beam performance of the are presented.

SPring-8蓄 積 リ ン グ 運 転 の 現 状
ラブルによりユーザータイムが中断した時間である。

１．はじめにSPring-8は 世界 最高 エネ ル ギー の第 ３世 代X線 光源加速器とし て、1997年に 運転を開始 した。当初導入したHybrid Optics（挿入光源(ID)設置直線部のベータトロン関数 が交互に高 低を繰り返す ）は、その後直線部ベータ トロン関数 を全ての直線 部で一定としたHHLV Optics（Optics with High Horizontal and Low
Vertical betatron function）に変更された。2000年の夏期には４回対称点に設けられていたmissing bend cellの四極 および 六極電 磁石 を取り 去り両 端のmatchingsectionに各々 ６台の 四極電 磁石を再 配置する事により、約27m の電磁 石フリー の長直 線部を実 現した。
その1箇所には磁石長25mの長尺アンジュレータが設置されている 。2001年から は軌道安定 化をプロジェ
クト体制で進 めて来た。 冷却水が真空 チェンバの振動を励起する 事によるビ ーム振動の抑 制などが行われて成 果を 上げ ている 。2004 年5 月から は蓄積電流を0.1%の偏差 で一定に保 つTop-up運転が 実用化されている 。一 方、運 転開 始から 7年 が経過 しており、放射線による 機器トラブ ルなども出始 めており、それらに対する対策も必要となってきた。
ここ数年の蓄積 リングの運転状 況、今年の５月から始まったTop-up運転の状況などについて報告する。

２．運転の状況
2003年 のSPring-8蓄積 リン グの 運転 時間は 5328.5
時間で あっ た。 図1に 1997年 10月 のユー ザー利用運転開始以来の 運転時間の 推移を示す 。2003年は運転時間 の74.4%にあ たる3965.2時間 （内 、入 射に要した時間が 39.2時間 ）が実際 にユー ザータイムとして利用された。 2003年当初に 計画された ユーザータイ
ムは4176時 間であ り、実 施率は 95%とな る。2003 年は後述するよ うに復旧に 時間を要する トラブルが数件発生し たため 実施率 が95%に留 まった が、1997 年以来の平 均で見 ると97%を 達成し ている。 また、加速器およびビー ムラインの調整 には21.7 %に当たる1154.8時間が使われた。 3.9%に当たる208.5時間がト4

図1：1997年ユーザー利用開始以来の運転時間
2003年では、多バンチモードの運転の割合はユ ーザータイム全体の 37.2%で あった。少数バンチモ ードでの運転の割合は50.8%、多バンチモードと少 数バンチモードが共存するハイブリッドモードは 12%であった。少数バンチモードでのバンチ不純度は 単バンチビーム生成システムなどの改善により、 10-10台以 下 を達 成 して い る。 多 バン チ モー ド は完 全 な
full fillingではなく、イオン捕獲による不安定性を避けるために全周を12等 分し た位 置の11 箇所に約 160づつのバンチ群を配置している。 1バンチ当たり の電子数は1.8×109 個、電流換算で60µA 程 度である 。
一方、セベラルバンチモード、ハイブリッドモー ドとして、2003 年は 6つのフィリングモードでの運 転が実施されている。均等 203バンチ（1 バンチ当た りの電子数1.5×1010： 電流換算0.5mA） 、全周の2/21に232連続バンチ、残りの 19/21に均等に18の 孤立バ ンチを配置したモード（1つの孤立バンチに は4.5×1010：電流換算1.5mA）等がある。
多バンチモード での ビ ーム 寿命 は 、全 てのIDのギャップが全開状態の時、 190時 間に達する。ユ ーザー実験中では、各々の IDの状態にもよるが、ビ ーム寿命は約 120時 間である。ビーム寿命の低下の 原Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

因には、レーザ ーコンプトン散 乱により2.4GeVガ ン
マ線の生成 を行ってい るBL33LEPの影響 も大きい。
一方、セベラ ルバンチの 運転では、バ ンチ当たりの電子数が多くなるために、ビーム寿命は電子-電子散乱による効果 が支配的に なる。先に例 に挙げた均等203バンチの場合ではビーム寿命は約30時間となる。
2003年はトラブルにより 、42回のビームアボートあるいは計画 外のビーム 廃棄が起きて いる。原因は高周波加速空 胴の反射、 電磁石、真空 機器などの冷却水流量低下 、ビームラ インでの誤操 作などであった。また、2002 年から起こ り始めた四 極電磁石冷却水のゴムホー ス配管の放 射線損傷によ る漏水トラブ
ルが頻 発し 、2003 年3月 中旬 に特 に放射線量の高い部分のゴムホ ースを全周 に渡って交換 した。全体のコンポーネン トについて 放射線による 機器の劣化が進行している 可能性があ り、様々な観 点からの調査と対 策 が進 め られ て い る。2003 年10 月 には 、 ユ ー
ザータ イム を約120時間 ロス する 入射部 真空チェン
バのリークが発生した。これについては後で述べる。
表１に蓄積リングの主要なパラメーターを示す。
表１：蓄積リングの主要パラメーター
HHLV Optics

Low Emittance Optics

Energy [GeV]
8
Number of buckets2436
ν x / ν y)40.15 / 18.35
Tunes (νCurrent[mA]: single bunch
13
multi bunch
100 (120$1)
Bunch length (FWHM)[psec]
32
Horizontal emittance[nm·rad]6.3$2 / 6.6$3
Vertical emittance[pm·rad]16.9$3
Coupling[%]
0.26$3$5µm]: (σσx / σy)Beam size[µLong ID section
381 / 13.4
ID section397 / 8.5
BM section
149 / 21.0
µrad]:(σσx’ / σy’) $5
Beam Divergence[µLong ID section
16.1 / 1.2
ID section
15.9 / 1.9
BM section
57.4 / 0.78
+7 / +6 (+2 / +2) $6
Chromaticities:(ξξx / ξy)Lifetime[hr]:100mA (multi bunch)~150
1mA (single bunch)~24
Dispersion distortion[mm]:horizontal (rms)4vertical (rms)
1.1$7
µm]:
Orbit stability (tune harmonics)[µhorizontal (rms)vertical (rms)-8243640.15 / 18.35
10100
34
3.1$2
8.7$3 / 3.9$40.28$3 / 0.13$4
283 / 11.4
289 / 7.2
103 /15.2
11.9 / 0.81
11.7 / 1.3
53.8 / 0.68
+8/+8~97~99.3
1.1$7
1.3
0.35

$1
Maximum stored beam current at machine study
Measured by a pulse bump and scraper$2, two dimensional interferometer$3, andtwo photon correlation$4$5Assuming that 0.26% coupling for “HHLV Optics” and 0.2% coupling for“Low Emittance Optics”$6
With bunch-by-bunch feedback $7With correction by 24 skew Q's

３．軌道安定化
2001年 １月 か ら軌 道 安定 化を 進 めて き た。 真 空
チェンバのア ブソーバな どを流れる冷 却水により誘起される振動 がビームの 振動を引き起 こしている事が分かり、そ の対策が進 められた。特 に垂直軌道変動の30Hz近傍の成 分は真空チェン バがセル上流部のQ3電磁石中で振動するこ とにより、そのチェンバ表面に渦電流が 発生して、 それが作る電 磁場がビームを振動させるため であることが分 かった[1]。チェン
バ振動抑制の ための支持 構造追加、ア ブソーバ冷却水流量低減、 配管系サイ ズ変更、流量 調整弁の種類5変更などの振動対策を実施した。これにより、 30Hz近傍の垂直振動の振幅は約１桁低減できた。この 対策は水平方向の70~100Hzの振動抑制にも効果があり、この周波数帯域での水平振動振幅を 10dB程度低減 できた。さらに対策を進めることにより、水平、垂 直ともに 50~70Hzの 振動 成分 を10dB程 度抑 制で きた 。
これらの対策の結果、現在では、 200Hz以下の帯 域で、 ID部 で の ビー ム 振 動 は 、水 平4µm 、 垂 直1µm（共にrms値）程度にまで低減されている。
ゆっくりした軌道変動は1998 年9月 以来、周期 的な軌道補正を施すことにより抑制している。補正 性能を向上させるために、当初は無かった分解能が 高
く低ヒステリシス特性を有する空芯型補正用ステ アリング電磁石が水平、垂直各２４台を導入した。 この結果ユーザー運転時の１日におけるビーム軌道 ドリフトは水平、垂直ともに約5µm(rms)程 度となり 、補正による光軸位置の飛びも殆ど発生せず、極め て安定な軌道を実現できている。

４．Top-up運転[2]Top-up運転は、蓄積電流を一定にするだけでな く入射時間を気にせず実験スケジュールを自由に構 築できる事や、ビームラインの光学系の熱負荷の変 動がないためにより安定な放射光が得られるという メリットが大きい運転であると言うことが出来る。 しかしながら、入射の度に蓄積ビームがその影響を 受けて振動するのでは受け入れられないという実験 もあり、これを以下に克服するかが重要である。バ ンプ軌道が完全に閉じていないと、蓄積ビームがバ ンプ軌道通過時にバンプ電磁石の誤差磁場によりキ ックを受け、ベータトロン振動が誘起される。エミ ッタンスの増大は短い時間（約30msec） ではあるが 、精密実験にとっては問題となる。ビーム振動の様 子をturn by turn beam monitorを用いて測定した結果、ビームの振動はa)バンプ電磁石の立ち上がり部分 、b)サイン半波の中間部分、c)サイン半波終了時の 磁場のオーバーシュートの３つ部分から生じている ことが分かった。a)については、それぞれの磁石に よるキック量を測定し、トリガータイミング調整を 行うことによりある程度小さくすることができた。 b)については、バンプが六極電磁石を跨いで配置さ れているため、非線形性によるバンプ軌道の漏れを 原理的に完全に無くす事は出来ない。しかしながら 、六極電磁石を励起される振動の極小エミッタンス を与える条件に設定することが出来る事が分かり、 この効果を低減させる事に成功した [3]。また、非線 形性の補正を行うパルスキッカー磁石および電源の 開発を 行 い、 水 平方 向 の入 射 時の 蓄 積ビ ー ム振 動 はビー ム サイ ズ の約1/3以下 と する こ とが 出 来た 。c)に対する対策として、端板を絶縁体として渦電流 の発生を抑えた改良型バンプ電磁石４台を製作、設 置する事により、改善する事が出来た[4]。
入射ビームのロスを抑えることは、放射線安全 上も重要であるが、ロスビームがIDの永久磁石に衝 突する事による磁石の減磁を生じさせないためにも 必
要で あ る 。入 射 効 率 の改 善 に 対し て は 、bunch-by-Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

bunch feedback (BBF)の 導 入 に より 低 ク ロ マ テ ィ シ
ティでの運転 が出来るよ うになったた め、入射ビームロスを最小 化する非線 形電磁石分布 を取ることが出来るように なった。ま た、シンクロ トロンからの入射ビー ムは、元 々Top-up運転 を想定し ていたものでは ない とい う問 題が ある 。そ こで 、SSBTの（位相関係 がπ/2とな る） ２箇 所に スリ ット を配置して水平位相空間 でビームを 整形して入射 する事にした[5]。現在、入射ビームを スリットにより1σに切っている。これによ り、入射ビーム 軌道を入射点で2mmセプタム壁に 寄せること が可能になり 、これらのことに よ り 、 入射 効 率 は 平均 で90%近 くに な っ た 。
ビームロスに 関して、残 された問題は IDの軸から外れた箇所での 複雑な非線 形磁場がもた らす入射ビームへの影響があるが、これは今後の課題である。
図２にユーザー タイムTop-up運転 時の５日間の蓄積電流の変化を示す。

これまでも何回も発生しているが、このような事 態に到った原因が、低エミッタンスオプティクスでは、軌道に一番近くまでリング内側からチェンバ壁が 接近している入射点で、アボートビームが集中的に 失われる事になっているためであることが後の検討 で分かった。そのため、現在オプテックスをそれま でのものに戻しているが、９月以降、チェンバ壁の 溶解によるリークが発生しない新規製作の入射部チ ェンバを設置して、低エミッタンスオプティクスで の運転を再開する予定である。

Current [mA]100

図３：アボートビームによって亀裂が入りリー クが発生した入射部チェンバ

95
99.05

90998598.95

６．ビーム不安定性除去装置の開発[6]~0.1mA

6 hours8098.9252627282930

Date(6/25~30)

図２：Top-up運転５日間の蓄積電流の変化

５． 低エミッタンス化
ID設 置用 直 線部 の無 分 散を 積極 的 に崩 しエ ネ ル
ギー分散を直 線部に漏ら す事で、偏向 電磁石部での放射励起を緩 和し、水平 エミッタンス を低下させることができる 。2002年の夏 期停止期間 に、長直線部のエ ネル ギー 分散 を保 った まま 、Chasman Greenユニットセルの エネルギー 分散のみを崩 せるように、長直線部両端 の８箇所の マッチング部 四極電磁石の配線を一部 変更した。 その結果、 従来の6.6nm⋅radの水平エミッ タンスを2.5nm⋅rad程度まで安 定に低下させること に成功 した。 X線の 実効的 光源サイズで規定される有効 エミッタン スは、電子ビ ームのエミッタンスの他に 、発光点で の分散と電子 ビームのエネルギー拡がり にも依存す る。それらも 含めて、Ｘ線光源のエミッ タンス（有 効エミッタン ス）が最小にな る よ う に 、2002 年 11 月 か ら 水 平 エ ミ ッ タ ン ス
3.4nm⋅radのオプテ ィックスで ユーザー運 転を開始、以後運転が継続していた。
しかしながら、2003年10 月にインターロック動作により起こっ たビームア ボートにより 、入射部真空チェンバ の0.7mm厚の 薄肉部が 電子ビー ムによつて溶解してリー クが発生す るトラブルが 発生した。幸い、ゲートバ ルブの遮断 によりリーク は入射部だけに留まったが 、予備のチ ェンバに交換 してユーザータイム を再 開す るのに 約120 時間 を要し た。図３にチェンバ内部 からの溶解 により、外面 に亀裂が入った入射部チェ ンバの写真 を示す。ビー ムアボートは

6

蓄積リングにおける横方向のビーム不安定性除 去のためFPGAを用いたBBFシステムが開発された[6]。
これまで横方向のビーム不安定性に対しては、強 いクロマティシティを用いてベータトロン振動に周 波数変調を導入し非線形振動を引き起こすことによ り抑制してきた。しかしながら、真空封止型IDの数 の増加などによりこの方法は限界を迎え始めた。また、入射効率にも影響するため、Top-up運転の導入の 面からも低クロマティシティの運転が望まれていた 。
開発されたBBFシ ステムにより、不安定性の抑制 に成功し、今まで制限のあったフィリングモードで の運転を可能にするとともに、低クロマティシティ での運転を実現する事が出来るようになった。

参考文献[1] S. Matsui, et al., JJAP, 42(2003)L338.
[2] T. Hitoshi et al., “Top-up Operation at SPring-8 Towards Maximizing the Potential of a 3rd Generation
Light Source”, presented at EPAC04, 5 to 9 July,
2004 Lucerne, Switzerland.
[3] Tanaka, et al., submitted to Physical Review E.
[4] T. Ohshima et al., “Suppression of Stored Beam
Oscillation Excited by Beam Injection”, presented atEPAC04, 5 to 9 July, 2004 Lucerne, Switzerland.
[5] K. Fukami et al., “Beam Collimation System for the
SPring-8 Top-up Operation”, presented at APAC04,
22 to 26 March, 2004 Gyeongju, Korea.
[6] T. Nakamura et al., “Transverse Bunch-by-bunch
Feedback System for the SPring-8 Storage Ring”,
presented at EPAC04, 5 to 9 July, 2004 Lucerne,Switzerland.