放射光第巻第号

()
放射光源シリーズ


電子蓄積リングとは

加藤政博 （分子科学研究所）.

比べてはるかに重い。静止質量と運動中の質量の比をローはじめに磁場中をほぼ光速度で走る高エネルギーの電子が放出する電磁波，シンクロトロン放射光は，赤外線から X 線にレンツ因子と呼ぶが，例えば， Photon Factory のローレンツ因子は約5000である。

いたる広い波長領域において，指向性に優れた光源として一般に，電子のような荷電粒子が加速を受けると電磁波様々な用途に用いられている。シンクロトロン放射光を発を放出するが，荷電粒子が相対論的である場合には，電磁生するための装置，即ち，シンクロトロン放射光源の中核波は粒子の進行方向に集中して放出される。その角度広がとなるのは，高エネルギーの電子ビームを生成する粒子加りはローレンツ因子の逆数程度となる。シンクロトロン放速器である。本稿では，現在，放射光源用粒子加速器とし射光もこのようにして放出される電磁波の一種である。例て最も広く用いられている電子蓄積リングについて，シン

えば Photon Factory では，ローレンツ因子は約 5000 であクロトロン放射光を利用する研究者や学生向けに解説するから，シンクロトロン放射の典型的な角度広がりは 1 /る。電子蓄積リングとはどのようなものか，それはどのよ

5000 ラジアン，即ち 50 メートル先で 1 センチメートル広うに動くのか，正確さや厳密さよりも直感的に理解しやすがる程度となる。シンクロトロン放射光の最も重要な特徴

いことを目標に，なるべく平易な解説を試みるつもりであである指向性の高さは，それを放出する電子が極めて高エる。

ネルギーであることにその理由がある。
光速度で運動する電子は，放って置くと，あっという間.に遥か彼方に飛び去ってしまう。電子蓄積リングは，高エ電子蓄積リングの概要
電子蓄積リングとはどのようなものか，まず，幾つかのネルギーの電子を閉じた軌道上をぐるぐると周回するように導いてやることで，長時間蓄積する。電子が周回する軌数字を挙げながらみていくことにしよう。
電子蓄積リングとは，その名の通り，高エネルギーの電道の長さ，即ち蓄積リングの周長は，例えば SPring-8 が子ビームを蓄積する装置である。電子が 1 ボルトの電位

約 1436 m ， Photon Factory が 約 190 m ， UVSOR が 約 50差で加速された場合に獲得するエネルギーは 1.6 × 10－19m である。電子エネルギーが高いほど周長も長くなる傾ジュールであるが，これを 1 電子ボルトと呼ぶ。放射光向にある。電子はほぼ光速度でこの軌道を周回するので，光源用電子蓄積リングの典型的なビームエネルギーは数Photon Factory であれば約 0.6 マイクロ秒で 1 周し， 1 秒10 億電子ボルトである。我が国の代表的な放射光施設に間には約160万周する。

例をとれば，西播磨の SPring-81)が80億電子ボルト（8 ギ

電子蓄積リングを周回する電子の量（ビーム強度）は，ガ電子ボルト＝ 8 GeV ），つくばの Photon Factory2) が 25

通常，電流値として表現される。光源用電子蓄積リングの億電子ボルト（2.5 GeV ），岡崎の UVSOR3)が 7 億 5 千万

場合，数100ミリアンペアというのが典型的な値である。

電子ボルト（0.75 GeV），といった具合である。本稿では電流値とは，ある場所を単位時間あたりに通過する電荷量立ち入らないが，このように施設によって電子エネルギーである。電子 1 個のもつ電荷（ 1.6 × 10－19 クーロン）にが大きく異なるのは，発生しようとする光の波長（エネル蓄積リング中の総電子数をかけ，さらに，単位時間あたりギー）が異なるためである。波長の短い（エネルギーの高の周回数，つまり電子が毎秒何回リングを周回するか，をい） X 線まで発生しようとすると高い電子エネルギーがかけてやれば電子ビームの強度が電流値として計算でき必要となる。

る。例えば Photon Factory の平均的なビーム強度はおよ

相対性理論によれば質量はエネルギーと等価である。電そ300ミリアンペア（0.3アンペア）であるが，この場合，子の静止質量をエネルギーに換算すると約 50 万電子ボル上の計算方法から逆に総電子数を見積もってみると，答えト（ 500 キロ電子ボルト＝ 500 keV ）に相当する。光源用は約 1 兆個（1×1012 個）となる。

電子蓄積リングを周回する電子の運動エネルギーはこれよりもはるかに高い。このような電子を，相対論的であると

.

電子蓄積リングの構成いう。相対論的な電子はほぼ完全に光速度，即ち，毎秒約実際の電子蓄積リングがどのように構成されているかを30 万キロメートルの速さで走り，その質量は静止質量に見てみよう。放射光源用電子蓄積リングを模式的に書いた

8585 愛知県岡崎市明大寺町字西郷中38
分子科学研究所 〒444
557206 FAX: 0564
54
7079 E-mail: mkatoh＠ims.ac.jp
TEL: 0564

――(C) 2003 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

放射光第巻第号()

ものを Fig. 1 に示す。先に述べたように，リングにも様いる。偏向電磁石 1 台で電子の進行方向を45度曲げ，8 台々な大きさのものがあるが，その基本構成に大きな違いはで合計360 度曲げる。偏向電磁石の数はリングによって様々である。例えば SPring-8 では 88 台，従って 1 台あたりない。
電子蓄積リングには，電子を閉じた軌道上を周回するよの曲げ角は約 4 度にすぎない。Photon Factory では28台，うに導いてやる装置が必要である。この役割を果たすのが1 台あたりの曲げ角は約 13 度， UVSOR では Fig. 1 の例

偏向電磁石（ Bending Magnet Fig. 1 参照）である。閉と同じく 8 台である。

じた軌道が置かれている平面を軌道面と呼ぶことにする

偏向電磁石の働きにより電子ビームは閉じた軌道上を周と，偏向電磁石はこの軌道面に垂直な方向に磁場を発生す回するが，周回を続けるうちに，様々な原因によりビームる。偏向電磁石には，通常，鉄を心材とした常伝導電磁石はどんどん発散してしまう。これを防ぐための装置が四極が用いられ，その磁場強度は 1 テスラ（＝1 万ガウス）程電磁石である。四極電磁石はその名の通り，N 極を 2 つ，度である。

S 極を 2 つの合計 4 つの極を持つ磁石である。偏向電磁石

電子は偏向電磁石の磁場中でローレンツ力と呼ばれる力と同じく，通常，鉄心の常伝導磁石が用いられる。Fig. 1を受ける。 Fig. 2 に示すように，軌道面上を進んでくるにおいては四極電磁石を凹レンズ凸レンズのような表し方

電子はその進行方向に垂直な向きに力を受け，円弧を描きをしてあるが，実際，四極電磁石は電子ビームに対してレながら運動する。この円弧の半径を偏向半径と呼ぶ。磁場ンズのような作用を及ぼす。広がっていくビームを凸レンの強さが同じであれば，エネルギーの高い電子ほど重く曲ズで収束し，収束されたものを今度は凹レンズで発散させげられにくいことから，偏向半径は大きくなる。例えばる。これらを交互にうまく配置することで，安定に電子SPring-8 の 偏 向 半 径 は 約 40 m, Photon Factory で は 約 8ビームを蓄積する。

m，UVSOR では約 2 m である。

リングを周回する電子は偏向電磁石の磁場中でシンクロ偏向電磁石中で電子は円弧を描いて進み，偏向電磁石をトロン放射光を放出する。シンクロトロン放射光は，電子出るとまっすぐに進む。そしてまた次の偏向電磁石では円の描く円弧状の軌道の接線方向に放出される。これを取り弧を描いて進む。これを繰り返しながら閉じた軌道上を周出して実験ステーションまで導くのが放射光ビームライン回する。 Fig. 1 の例では偏向電磁石の数は 8 台になって（ SR Beamline  Fig. 1 参照）の役割である。 Fig. 1 では
放射光ビームラインは 2 本しか示していないが，実際には電子蓄積リングを取り巻くように数 10 本のビームラインを設ける。電子蓄積リングは大型で高価な装置であるが，多数のビームラインにおいてそれぞれが独立した多数の実験を同時進行の形で行えるため経済性が高い。これは電子蓄積リングが光源用加速器として優れている点の一つである。
最近の放射光リングでは，シンクロトロン放射光を発生する装置として，偏向電磁石に加えて，ウィグラ（ Wig-gler ）やアンジュレータ（ Undulator  Fig. 1 参照）などの挿入光源が多く用いられている。挿入光源はその名の通り，偏向電磁石と偏向電磁石の間の軌道が直線状になっている 部分（直 線部と呼ば れる）に挿入 して使用さ れる（ Fig. 1 参照）。挿入光源も，磁場により電子を偏向しシンクロトロン放射光を生成することは偏向電磁石と同じである。ただしその磁場は周期的に向きが反転するようにな
Figure 1. Schematic drawing of an electron storage ring for synchrotron light source.っている。そのような磁場の中では電子は蛇行しながら進み，蛇行のたびにシンクロトロン放射する。放射光は重畳され，直線部の延長線上に集中して放出される。このようにして，偏向電磁石に比べてより密度の高い放射光を生成できる。また，偏向電磁石からの放射光が直線偏光であり白色光であるのに対して，挿入光源を用いると，単色性や円偏光など，偏向電磁石では得られない特長のある光を生Figure 2. Electron motion in uniform magnetic ˆeld. B is the magnetic ˆeld, v the electron velocity, F the Lorentz force, r the bending
radius.

成することもできる。
シンクロトロン放射光を放出することで，リングを周回する電子はそのエネルギーをどんどん失っていく。例えば

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放射光

第巻第号

()Photon Factory では 25 億電子ボルトの電子がリングを 1

高エネルギーの電子がビームダクトなどに衝突すると放周する間に約40万電子ボルト（400 keV ）のエネルギーを射線を発生する。電子蓄積リングでは一度生成した高エネ失う。もとのエネルギーを 1 周あたりのエネルギー損失

ルギー電子を，エネルギーを補給しながら何時間も蓄積しで割ってやれば，何周くらいするとエネルギーの大半を失光発生に使い続けるため，電子の損失が少なく，放射線のうかを見積もることができる。答えはおよそ 6000 周。前発生が少ない。これも電子蓄積リングが光源用加速器とし節で述べたようにリングを 1 周するのに要する時間は 0.6て優れている理由の一つである。とはいえ，電子は少しづマイクロ秒であるから， 6000 周は約 4 ミリ秒に相当し，つではあるが確実に失われ放射線を発生する。このため，まさにあっという間にエネルギーを失ってしまうことがわ

一般に電子蓄積リングは分厚い放射線遮蔽壁で囲まれていかる。

る。

このシンクロトロン放射で失われるエネルギーを補給し電子が次第に失われビーム電流値が下がってくると，てやるための装置が高周波加速空洞（RF Cavity  Fig. 1ビームの放出するシンクロトロン放射光もその強度が下が参照）である。高周波加速空洞は内部に高周波の電磁場をってくる。電子を補給してやる必要があるが，電子蓄積リ閉じ込めた金属製の空洞であり，軌道上に軌道と平行な向ング自身は電子ビームを作り出す機能は持っていない。電きに電場を発生するようになっている。空洞を通過する電子ビームはあらかじめ他の装置で生成し運んでくる。電子子はこの電場によって加速されエネルギーを補給される。

ビームを生成するための装置を入射器（ Injector  Fig. 1

ただし電場は高周波で振動している。つまり電場の向きが参照），入射器から電子蓄積リングまでビームを運ぶため周期的に変わる。電子がエネルギーを補給してもらうための通路をビーム輸送路（Beam Transport LineFig. 1 参には電場が電子を加速してくれる向きになっているときに照）と呼ぶ。入射器としては，線形加速器，マイクロトロ

空洞を通過しなくてはならない。電場の振動周期は，通ン，シンクロトロンなどの電子加速器を，単体で，もしく常，数 億ヘル ツ程度 に設定 される 。例えば SPring-8 やは幾つか組み合わせて利用する。ビーム輸送路は，電子蓄

Photon Factory で は 約 5 億 ヘ ル ツ （ 500 メ ガ ヘ ル ツ ），積リングと同じく，偏向電磁石や四極電磁石，ビームダクUVSOR では約 9000 万ヘルツ（ 90 メガヘルツ）である。

トなどで構成される。

後で述べることになるが，この高周波加速によって，電子以上，電子蓄積リングの主要な構成要素について説明しビームは一つながりの紐のような形をとることはできず，てきたが，これら以外にも数多くの装置が備えられてい幾つかの塊に分かれてリングを周回するようになる。シンる。様々な種類の電磁石，ビームの位置や強度を計測する

クロトロン放射光の重要な性質である，パルス的である，装置，加速器全体を安全に効率良く運転するための制御シということの原因がここにある。

ステム，安全管理システムなどである。電磁石や高周波加ビームを閉じた軌道上を周回するように導く偏向電磁

速空洞を駆動するための電源，これらに電力を供給するた石，ビームの発散を防ぐための四極電磁石，シンクロトロ

めの電気設備，冷却水を必要とする装置のための冷却水循

ン放射により失われたエネルギーを補給するための高周波環設備，さらにいえば電子蓄積リングやビームラインを収加速空洞，これら 3 つの働きにより電子ビームはリング納する建物も必要不可欠な構成要素である。電源変動や冷を安定に周回する。次に重要となってくるのは電子ビーム

却水の温度変動，建物の微小変形が光源性能に直結する場がその進行を妨げられることなく長時間周回を続けること合も多い。放射光源はこれらがすべて一体となったものとである。このためには軌道上に電子の進行を妨げる邪魔者して考える必要がある。

があってはならない。空気も例外ではない。電子ビームの軌道はビームダクトと呼ばれる内径数 cm のパイプ状の金.

おわりに属性容器に包まれている。ビームダクトには真空ポンプが今回は「電子蓄積リングとは」（その 1 ）として，電子備えられ，その内部は 10－7 から 10－8 パスカル（ 1 兆～ 10

蓄積リングの概要を幾つか数字を挙げながら説明し，その兆分の 1 気圧）という超高真空に保たれている。

機器構成とそれぞれの構成要素の役割について解説した。

ビーム軌道上は超高真空に保たれているとはいえ完全な次回は，「電子蓄積リング」（その 2）として，電子蓄積リ

真空ではない。ごくわずかであるが残留ガス分子が存在すングを周回する電子ビームの性質について解説する予定でる。運悪くこれらと衝突した電子は，大きく進行方向を曲ある。読者（特に放射光ユーザー）の皆さん，この「放射げられ，ビームダクトに衝突して失われてしまう。電子が光源シリーズ」で扱って欲しいテーマをお近くの編集委員

失われていく原因はこれ以外にも，一緒に周回している電までお寄せ下さい。

子同士の衝突など，幾つかある。これらの結果，蓄積されている電子数は時間とともに少しづつ減少していく。電子

参考文献

数が減少していく典型的な時間，即ちビーム寿命は，電子1)2)3)蓄積リングによって様々であるが，短いものでも数時間，長いものでは100時間近くに達する。

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http://www.spring8.or.jp
http://pfwww.kek.jp
http://www.uvsor.ims.ac.jp/