放射光第巻第号

()トピックス

UVSOR 高度化計画
加藤政博

分子科学研究所

Upgrade Plan for UVSOR
Masahiro KATOH
Institute for Molecular Science

We are proposing an upgrade plan for UVSOR. This 2nd generation synchrotron light source of 750 MeV
will be converted to a high brilliance light source that can compete with the 3rd generation light sources in thenext decade. The original DBA (double bend achromatic) lattice will be modiˆed to have low emittance of27 nm-rad and four new short straight sections. Totally six insertion devices will be installed. All the straightsections will have small vertical betatron function, which is suitable for installing in-vacuum undulators ofshort period length. UVSOR will produce much more brilliant undulator radiation in wider spectral region
for more experimental stations.

.

始めに1980 年代前半に建設された典型的な第 2 世代放射光源でシンクロトロン放射光の利用は高エネルギー物理学実験あり， 1983 年にビーム蓄積に成功して以来 17 年以上にわ用の円形電子加速器に寄生する形で開始され，その有用性たって我が国における主要な放射光源のひとつとして順調が明らかになると放射光利用専用の加速器が建設されるよに稼動を続けてきた5) 。周長53 m ，ビームエネルギー750うになった。前者は第 1 世代，後者は第 2 世代の放射光MeV という比較的小型の放射光源であるが， 20本の放射源と呼ばれている。近年においては第 3 世代と呼ばれる光ビームラインが稼動している。その半数は共同利用に供放射光施設が世界各地で建設され続々と稼動している。こされており，現在，年間900名ほどの利用者を受け入れてれら最新の光源は蓄積電子ビームのエミッタンスが小さいる。世界的に見ても極端紫外光に重点を置き，また，分く，また，挿入光源設置可能な直線部を多数有するなど，子科学研究に専用化している放射光施設は UVSOR の他

設計段階より高輝度放射光の発生に最適化されたものになに は ない 。 しか し なが ら 最 新の 第 3 世 代光 源 に 比べ るっている。このような新世代光源の登場に対して，旧世代と，電子ビームのエミッタンスは 160 nm-rad と一桁以上光源を有する放射光施設の多くでは，既設光源加速器の高大きく，また設置可能挿入光源数も 3 台と少ないなど，性能化により競争力を維持していこうとする動きがみられ

約 20 年前の設計思想と技術で作られた UVSOR は放射光る。わが国 においては 高エネルギ ー加速器研 究機構のの輝度という点で大きく劣ってしまっている。また加速器

Photon Factory で電磁石配置（ラティス）の改造を行い，装置の多くが製造後 20 年近くを経過しており，老朽化も放射光高輝度化に成功した1)。また， Stanford の SPEAR深刻になりつつある。UVSOR が全国共同利用施設にふさでもラティス改造による高輝度化の計画がある2)。また，

わしい最先端の放射光利用実験の可能な場であり続けるた加速器の大幅な改造を伴わない範囲での低エミッタンス化

めには，光源加速器の高性能化は急務である。

が， NSLS X-ray Ring3) や Super ACO4)などで試みられてUVSOR 高度化計画は，いる。



挿入光源設置可能な直線部の増設



低エミッタンス化による放射光高輝度化

分子科学研究所極端紫外光実験施設（ UVSOR ）は

分子科学研究所極端紫外光実験施設（UVSOR ） 〒4448585 岡崎市明大寺町字西郷中38557206 FAX: 0564
54
7079 E-mail: mkatoh＠ims.ac.jp
TEL: 0564

――(C) 2001 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

放射光第巻第号()

既設挿入光源およびビームラインの更新による高性能化

加速器各部の更新による高性能化，信頼性向上を実現することで，UVSOR を第 3 世代光源と競争可能な放射光源に転換し，今後10年以上，VUV 軟 X 線領域における最先端の放射光利用実験が行える施設として現在の地位を維持強化していこうとするものである。
本稿の以下の各節では，高度化計画のうち特に光源加速器本体の高度化とそれによって実現される光源性能に重点をおいて紹介する。この計画では，施設全体，即ち，入射器から光源加速器，放射光ビームラインも含めた更新，高度化を目指している。放射光ビームラインの更新は，高度Figure 1. Typical Beam Current History of UVSOR in multibunch mode.

化された光源を今後どのように利用していくか，どのような利用研究を展開していくのか，という極めて重要な問題であり，現在，UVSOR 観測系スタッフが中心になり検討を進めているところである。高度化計画のもう一つの重要

Table 1 Insertion devices at UVSOR
Linear Undulator (BL3A)
Number of periods

24

ありながらフルエネルギーに近い専用の入射器を有する点

Period Length
Total Length

84 mm2016 mm

は UVSOR の特徴のひとつであるが，この入射器も光源

Remanent Field

リングと同じく製造後 20 年近くが経過している。施設のMagnetic gap
De‰ection parameter (K)0.9 T
3090 mm

項目は入射器の増強更新である。比較的小規模の施設で安定な運転のためには，各部の更新による高性能化，信頼性向上は不可欠である。これらも含めた高度化計画の全体については，また，機会をあらためて報告したい。

.

0.63.6

Helical Undulator/Optical Klystron (BL5A)UVSOR 光源加速器の現状

高度化計画の紹介に入る前に，光源加速器の現状についNumber of periods

18Period length
Length of dispersive part

110 mm302.5 mm

Total length

2351.2 mm

600 MeV シンクロトロンからなる専用入射器を有する。

Remanent ˆeld
Magnetic gap

光源リングに入射後 750 MeV まで加速し蓄積する。入射De‰ection parameter (K)1.3 T
30150 mm
0.074.6 (helical mode)て簡単に述べておく。 UVSOR は 15 MeV 線形加速器，

0.15805 (linear mode)は通常 1 日 2 回であり，9 時と13時に行われる。ビーム停止は通常 18 時であるが利用者の要望により 21 時まで延長が可能である。毎週月曜日と土曜日はマシンスタディ，火Super Conducting Wiggler (BL7A)

曜日から金曜日までがユーザー利用に割り当てられている。利用実験のほとんどはマルチバンチモードで運転され，蓄積ビーム電流値は最大250 mA である。典型的な運Type

Wavelength-shifterMax. magnetic ˆeld

4T

Magnetic gap
Critical energy

45 mm
1.5 keV

転の状況を Fig. 1 に示す。最近のマシンスタディの結果
では300 mA での運転でも特に問題はないことがわかった
が，今後も引き続きビーム寿命の改善とも合わせて平均電持管理に要する費用人員，利用側にとっての必要性など流値の増大に取り組んで行きたいと考えている。なお年間を総合的に考え，利用者の了解の上，UVSOR 運営委員会

45 週間程度はシングルバンチモードで運転され，最大電で廃止が了承されている。後述するように高度化計画の一流値は約70 mA である。

環として跡地利用の計画が既にスタートしている。BL3A

挿入光源は現在 3 台が設置されている（ Table 1 ）。こ

直線偏光アンジュレータは老朽化が進み，最近では制御系のうち自由電子レーザーにも使用されている BL5A 円偏の一部に修理の困難な不具合が生じている。このアンジュ

光アンジュレータは製造が比較的新しく6)今後も施設の主レータに関しても高度化計画の一環として，ビームライン力の光源として稼動を続けることになる。今のところギャも含め更新の対象となっている。

ップ変更は入射時のみに限定されており，ユーザーからの20 年近く前に製造された光源加速器各部の老朽化は深随時変更（いわゆるフリーチューニング）はできないが，刻であるが，高周波源，パルス電源など，通常予算の範囲近い将来の実現に向けてハードウエアの整備を進めているで可能なものから順次更新を進めてきている。昨年度にはところである。BL7A 超伝導ウィグラについては，運転維ビーム位置モニター信号処理系の全面更新を実施し，計測――放射光第巻第号

()スピードをおよそ100 倍にまで高めることができた。今後さくなる。新オプティクスでは，四極電磁石による収束を挿入光源のフリーチューニングに向けた調整や軌道安定化強めることに加え，全ての直線部に有限の分散を持たせることで効果的に低エミッタンス化を実現している。直線部システムの構築に威力を発揮するものと期待される。
以下で紹介する高度化計画が実現すれば，電磁石系，真に有限の分散を持たせることそれ自体は直線部のビームサ空系，高周波加速空洞など，これまであまり手の入ってなイズを増大させる方向に働くが，エミッタンスの減少の効い部分の更新も進み，光源性能の向上のみならず，故障率果がこれに優るため，放射光輝度にとっては有利となる。の低減など，加速器の信頼性の向上も実現できるものと期

高度化前後でのビームサイズ，角度発散の変化を Fig. 4b待している。に示す。リングの全ての場所でビームサイズ，角度発散とも小さくなることがわかる。また，全ての直線部において.

光源加速器の高度化改造

垂直方向のベータトロン関数を 1 m 程度まで小さくしてUVSOR 高度化計画の中心となるのは光源リングのラテあり，ビーム寿命に影響を与えることなく磁極間隙の小さィス（電磁石配列）の改造による直線部の増設と低エミッい短周期アンジュレータを導入することが可能となっていタンス化である7) 。ラティスの改造は Fig. 2 に示すようる。現在と高度化後の加速器パラメタを Table 2 にまとなものになる。現在のラティスは，多くの放射光源で採用めてある。

されている DBA (double-bend achromatic) セルを基本構

六極補正に関しては 4 ファミリィの四極電磁石のそれ造としている。 DBA セル 4 個でリングが構成されていぞれに組み込んである六極磁場強度を最適化することで，る。現在 3 台の四極電磁石と 2 台の六極電磁石が設置さ

線形色収差を補正し且つ入射蓄積に十分なダイナミックアれている分散部に，新たに1.5 m の直線部（フリースペース）を設け，その両側に四極電磁石 2 台づつを配置する。
限られた空間を有効に活用するために六極磁場は四極電磁石に設ける補助コイルにより発生する。長直線部に関しても四極電磁石を全て交換し，現在の 3 m のフリースペースを 4 m まで拡大する。これらの四極電磁石にも六極磁場を組み込みダイナミックアパーチャの最適化を行う。
高度化前後での加速器配置案を Fig. 3 に示す。最終的に直線部数は，現在の 3 m 直線部 4 本から，4 m 直線部 4本と1.5 m 直線部 4 本の合計 8 本へと倍増される。これらのうち 2 本は入射や高周波加速などに使用されるが，残りの 6 本は挿入光源に利用可能となる。偏向電磁石には手を加えないため，リングの形状は変わらない。従って既存の放射光ビームラインは当面そのまま利用可能であるが，新挿入光源の導入に合わせて，これら既設ビームラインのスクラップアンドビルトを実施する。
ビームオプティクスは Fig. 4a のように変わる。エミッタンスは現在の 160 nm-rad から27 nm-rad と約 1 /6 まで小Figure 2. Magnetic lattice of UVSOR (One quadrant of the ring).
Present lattice (lower) and new one (upper) are shown.

Figure 3. Present (lower) and new (upper) conˆguration of theaccelerator components. The straight sections where insertion
devices can be installed are indicated by circles. The new conˆguration includes an option in which the injection point is moved. Finalconˆguration and the properties or parameters of the undulators arebeing discussed.

――

放射光Figure 4a. Optical functions of UVSOR storage ring. Those of thepresent optics (lower) and the new optics (upper) are shown.

Table 2.

第巻第号()

Figure 4b. Beam size and divergence of UVSOR storage ring.
Those of the present optics (lower) and the new optics (upper) areshown.

Main parameters of UVSOR storage ring
PresentUpgradedCircumference
Lattice type53.2 mDBA

extended DB

Number of cells
Straight sections

43 m×44
4 m×4, 1.5 m×4

Beam energy

750 MeV

Emittance
Energy spread

165 nm-rad
4.2×10－4(3.16, 1.44)

27.4 nm-rad(－3.4, －2.5)(－8.1, －7.3)

Betatron tunes
Nat. chromaticity
XY coupling～10

Mom. compaction factor
RF frequency

0.026
90.115 MHz

Harmonic number
RF voltage
RF bucket height

16
46 kV
0.74

Max. beam current
Beam lifetime (200 mA)

250 mA～6 hr(3.75, 3.20)

0.028～80 kV

1.03
＞250 mA

Figure 5. Dynamic aperture of new UVSOR lattice. Those forvarious momentum deviations between －2 and 2 are shown.

＞6 hr

パーチャを得ることができる。新オプティクスのダイナミ
ックアパーチャを Fig. 5 に示す。

する最大の要因となる。これは UVSOR のような低エネルギーリングを低エミッタンス化した場合には避けられな

新しいラティスでは Touschek 効果がビーム寿命を決定

い問題である。これに対しては，まず既設の 3 倍高調波――放射光第巻第号()

RF 空胴8) を今後も積極的に活用しバンチ長を延ばすことる。 アンジュレータ磁極 部は Fig. 7 に示すと おりであで， Touschek 効果を緩和する。さらに，現在，主 RF 加る。周期長は 36 mm ，周期数 26 と，現在のオプティクス

速空胴に投入できる電力を制限している入力カプラー部を下での実用性も考慮して Fig. 6 に示した例よりも若干周改良し加速電圧を高くすることで RF bucket height を高期長を長く取ってある。期待できる放射光スペクトルをめる。これらにより現在と同等の寿命を実現できる見込み

Fig. 8 に示す。 1 次光で 100 eV 近傍， 3 次光で 300 eV 近である。

傍の放射光が発生できる。

.

次のステップとして約 2 m 長のアンジュレータ 1 台を製

上記，真空封止型アンジュレータの経験の上にたって，光源性能の向上

低エミッタンス化により放射光輝度は大幅に改善され

作 し ， 現 在 BL3A に 設 置 さ れて い る 直 線 偏 光ア ン ジ ュる。既設アンジュレータや偏向電磁石からの放射光輝度のレータと交換する。先にも述べたが，このアンジュレータ向上の様子を Fig. 6 に示してある。概ね一桁高くなるこは駆動系，制御系に問題を抱えており，更新が急がれていとがわかる。これに加えて，新オプティクスでは全ての直線部で垂直方向のベータトロン関数を 1 m 程度と小さくしてあり，磁極間隙の狭い短周期の真空封止型アンジュレータを導入することが可能となる。磁極間隙は，ビーム寿命に影響を与えることなく，最小で 10 mm まで挟めることができる。短周期アンジュレータを導入することにより，これまで UVSOR では発生することの出来なかった

100 eV 超の領域でアンジュレータ光（基本波）を発生することが可能となる。近年，レーザー光の短波長化が進んでいるので，レーザーでは当分不可能なこのようなエネルギー領域でも UVSOR の特長を出していく必要があると考えている。周期長 32 mm のアンジュレータを導入した
場合のスペクトルを Fig. 6 に合わせて示してある。
挿入光源系の高度化に関してはまず既存挿入光源の更新から始める。先にも述べたが真空封止型短周期アンジュ
レータを 1 台新たに製作し BL7A 超伝導ウィグラを撤去した跡地に導入する。新アンジュレータは，導入当初は，真空封止型アンジュレータの性能評価，ビームへの影響評価を行うために使用し，その後，達成された実性能に適した利用実験に供される。このアンジュレータは SPring-8
挿入光源グループの協力を得て，既に製作が開始されていFigure 6. SR Brilliance of upgraded UVSOR. Those from the existing linear undulator at BL3A (), the existing helical undulator
at BL5A (), bending magnet (▲ ), future short period undulator() of period length 32 mm and minimum magnetic gap 10 mm. Increases of the brilliance of the existing sources are indicated by arrows.

Figure 7. Magnetic poles for in-vacuum undulator at BL7A (under construction). Period length is 36 mm and the number of periods is 26.

――




放射光

第巻第号()

Figure 8. Synchrotron radiation spectra from in-vacuum undulator at BL7A (under construction). The case of K＝1 is shown. The
ˆrst and third harmonics will cover the energy ranges around 100 eVand 300 eV.

るものである。光源リング改造により新たに設けられる短直線部については，利用側と協議しながら分光器に適合しFigure 9. Prototype of the focusing magnet (quadrupole/sextupole combined function).

た挿入光源を設計し順次導入していくことになる。
Table 3.

.

おわりにUVSOR 高度化計画は，老朽化の進みつつある既存の光源加速器を，安価に且つ効果的に高性能化しようとするもMain parameters of new focusing magnets

Number of magnets

32Core length
Bore diameter

0.2 m94 mm
15 T/m
35 T/m 2Max. quad. ˆeldのである。高輝度とビーム寿命の両立する適度な低エミッMax. sext. ˆeld

タンス化を実現し，また，増設した短直線部に短尺短周期のアンジュレータを導入し効率的に VUV 軟 X 線領域の高輝度ビームを生成する。また，新たに製造する加速器要素は，将来，光源加速器を全面的に更新する場合にできると，近接する電磁石間の位置のずれは概ね200300ミクロ限り転用可能なものとするなどの合理化を考えている。

ン程度であり，建設後の 17 年間という年月を考えると予高度化計画の年次スケジュールは，施設のマンパワーを想外に小さいものであった。リング改造時には電磁石の精考慮し，また，利用実験への影響を抑えるという観点から密据付をやり直すことになるが，このときの移動量が大き 入射器系更新，
 挿入光源更新，
 リング短直線部（分いとビームラインへも少なからず影響を与えることにな

 リング長直線部改造と 4 段階 4 年計画で散部）改造，

る。今回の結果によりこれがそれほど深刻なものにはなら実施することを考えている。停止期間は年間 2 3 ヶ月以ないことがわかった。

内に抑える計画である。現在予算要求中であるが，出来るこれまで光源側の検討準備作業が先行してきたが，高だけ近い将来に計画がスタートできることを願っている。

度化された光源の利用，ビームラインのスクラップアンド

2001 年 7 月現在での計画の準備状況は，以下のとおり

ビルトについての議論も，観測系スタッフが中心となり，である。ラティスの設計は完了し，各加速器要素の検討を着々 と進めら れている。 本高度化計画 の早期の実 現を進めている。新収束電磁石についてはテスト機の製作が完UVSOR 利用者とともに願っているところである。

了し，現在性能評価を行っているところである。電磁石とその主要なパラメタを Fig. 9 と Table 3 に示す。真空系

謝辞については KEK PF の真空グループの協力を得て詳細設UVSOR 高度化計画の立案，準備作業には小杉信博施設計を進めている。先に述べたように真空封止型アンジュ長以下，UVSOR 職員全員があたっている。本計画に関しレータの 1 号機は， SPring-8 挿入光源グループの協力をて，分子科学研究所茅幸二所長には予算面など様々な形で得て，既に製作を開始した。光源リングの改造に先行するの支援を頂いている。この場を借りて御礼申し上げる。

ことになるが， 2002 年春に超伝導ウィグラを撤去しそのBL7A 用真空封止型アンジュレータの設計開発は，平成跡地に据え付ける予定である。リング本体の改造に向けた

12 年度分子科学研究所共同研究として，理化学研究所準備作業の一環として， 2001 年春の停止期間中に，電磁（ SPring-8 ）北村英男，原徹，田中隆次の各氏の協力を得石の精密測量を実施した。これは建設期以降では初めてとて行われているものである。ビーム位置検出システムの開なるものである。結果は，リング全体の傾きや膨張を除く発は，平成 12 年度分子科学研究所共同研究として，高エ――放射光第巻第号

()

ネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所本田融氏の協力を得て行われたものである。高度化計画における真空系

3)の設計は，高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究

4)
5)
6)

所堀洋一郎氏（平成 13 年度分子科学研究所客員助教授）の協力を得て進められている。

7)

参考文献
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2)

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