Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 29 - September 1, 2023, Funabashi

PASJ2023 WEOA6PF-AR 5 GeV 運転時における PF との同時トップアップ入射のコミッショニング及びユーザー運転への適用
COMMISSIONING AND APPLICATION TO USER-RUN OF
SIMULTANEOUS TOP-UP OPERATION OF PF AND PF-AR IN 5 GeV
東直 ∗,A) , 満田史織 A) , 長橋進也 A) , 原田健太郎 A) , 下崎義人 A) , 野上隆史 A) ,内山隆司 A) , 中村典雄 A) , 本田融 A) , 佐藤政則 A) , 岡安雄一 A) , 榎本嘉範 A) , 飯田直子 A)

Nao Higashi ∗,A) , Chikaori Mitsuda A) , Shinya Nagahashi A) , Kentaro Harada A) , Yoshito Shimosaki A) ,Takashi Nogami A) , Takashi Uchiyama A) , Norio Nakamura A) , Tohru Honda A) , Masanori Satoh A) , Yuichi Okayasu A) ,Yoshinori Enomoto A) , Naoko Iida A)A)
KEK

Abstract
Photon Factory Advanced Ring (PF-AR) located at High Energy Accelerator Research Organization (KEK) is a
6.5 GeV light source accelerator. The use of a new beam transport line (BT) was started in 2017, and since then thesimultaneous top-up operation with another light source in KEK, Photon Factory (PF: 2.5 GeV), has become possible. In
2019, in order to secure the user-time, the operation was started with the ring-energy of PF-AR lowered from the original
6.5 GeV to 5 GeV. However, there is a common DC bending magnet that affects both BTs’ orbits of PF and PF-AR at
the intersection of BTs, so that the simultaneous top-up operation became unavailable with the lower energy of 5 GeV ofPF-AR. At the PASJ annual meeting in FY 2020, several solutions to overcome this problem were presented, and in FY
2021, we got the budget for one of the proposals and in the summer of FY 2022 (last summer), the phase 1 modiﬁcation
was carried out. In this meeting, we will report on the commissioning conducted in last year, and its application to theuser-run.

1.

1.2

これまでの経緯

1.1 PF-AR の新たな入射路
大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構(KEK) には Photon Factory (PF: 2.5 GeV) と Photon Factory Advanced Ring (PF-AR: 6.5 GeV) の 2 つの光源加速器がある。2017 年に同じ KEK つくばキャンパス内にある KEKB が SuperKEKB にアップグレードするのに伴い、PF-AR の輸送路 (beam transport line: BT)、ARBTが KEKB の BT から独立した. 2017 年まで ARBT では 3 GeV の電子ビームを輸送し、PF-AR 入射後は 6.5
GeV まで加速したが、新しい ARBT は 6.5 GeV で設計され、これにより PF-AR においてトップアップ入射が実現されることとなった。これにより、PF と PF-AR の同時トップアップ入射が実現されることとなった (Fig.
1) [1]。

Figure 1: New beam transport line for PF-AR.

∗ nao.higashi@kek.jp

疑似トップアップ運転

昨今、加速器の運転コスト削減の要求が高まっており、PF-AR は 2.5 GeV の PF に比べてその傾向が相対的に強い。これに対応するため、通常の 6.5 GeV から 5
GeV にエネルギーを下げた運転実施の提案がなされた。
しかし、新 ARBT は 6.5 GeV の電子ビームを輸送するように設計されており、5 GeV の電子ビームが輸送される場合、ARBT と PF の BT (PFBT) の交差点に設置されている共通 DC 偏向磁石 (BPFS) の下流から設計軌道からのずれが生じてしまう (Fig. 2)。これを解決するため、“疑似トップアップ運転” が導入された [2]。この方式では各リングに対してそれぞれ専有入射時間 (PF: 150 秒,PF-AR: 90 秒) を与え、その時間内で BPFS の励磁電流を各入射エネルギーに合わせて変更する。蓄積電流値の減少はあるがそれはわずかであり、ユーザーへの影響は

Figure 2: Layout around the intersection of PFBT andARBT. Beams comes from the right side to the left. Orbitsof PF-AR and PF are isolated at the pulse bending magnet,
and after that, intersects twice. The common DC bending
magnet is placed at the ﬁrst intersection.

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ほぼ皆無である。2019 年に 5 GeV でのユーザーランが開始され、その後も安定した運転が続けられた。

2.

真トップアップ運転の需要

疑似トップアップ運転により PF および PF-AR の蓄積電流値をほぼ規定値に保つことが実現できたが、様々な観点から BT の専有時間を設ける必要のない “真のトップアップ運転” の需要は依然として存在する。
1 つ目は運転スケジュールの制限である。PF では大電流のシングルバンチと通常のマルチバンチが共存する“ハイブリッド運転” を一部のユーザー運転で採用しているが、通常のマルチバンチ運転時よりもビーム寿命が短く、疑似トップアップ運転下では PF においてハイブリッド運転を設定することができない。
2 つ目はビームの短寿命化及び予期しないビーム損失に対する即時対応の必要性である。昨今、e+ 、e− 照射試験ビームラインが PF-AR に建設され、試運転が開始された [3]。それと並行し、PF-AR では低エミッタンスoptics の適用が検討されている [4]。これらにより、ビーム寿命が短くなったり、予期せぬビーム損失が発生した
りする可能性があるが、真のトップアップ入射が可能であれば、例え PF-AR で問題があっても、その影響は PFには及ぶことはない。

3.

んどないため、PFBT を改造することとした。PFBT で発生する軌道差は新たに設置する 3 台の水平ステアリングで吸収する (Fig. 3)。この際、新たに設置する水平ス
テアリングの場所にあった四極電磁石「QPFA1」を下流側に移設した。
この改造では DC 電磁石のみを採用することができ、コストと設置・運用の手間を抑えることが可能となっている。また、改造範囲は狭く、比較的高価なビーム位置モニター (BPM) やスクリーン・モニターの範囲を避けられているため、真空ダクトの新造も限定的となっている。
PFBT と ARBT の新しい optics をそれぞれ Fig. 4, 5に示す。PFBT の新たな optics (Fig. 4) では、BPFS による余剰な蹴り角は 12.6 mrad となっている。これにより発生しうる、BPFS からの距離に比例した軌道差を抑真のトップアップ入射を実現するための改造

真のトップアップ運転の実現に向けた改造のための予算が 2021 年度に成立し、昨年 (2022 年度) の夏に実際の改造が行われた。この改造では、共通 DC 偏向電磁石“BPFS” の磁場を ARBT の 5 GeV と 6.5 GeV の間に設計し、ARBT (5 GeV) と PFBT (2.5 GeV) のそれぞれで発生する軌道差を吸収する。今回の目的は 2.5 GeV のPFBT に対して新たに 5 GeV ARBT を実現することであるが、ARBT には追加の機器を設置するスペースがほとFigure 3: Modiﬁcation of PFBT. Up is before the modiﬁcation, and down is the after. HS2, 3, 4 are the new horizontal steering magnets to be installed onto PFBT in thismodiﬁcation. BPAA1, 2 are the existing bending magnets
on ARBT.

Figure 4: New optics of PFBT. QPFA1, 2, 3 are thequadrupole magnets. HS1 is the horizontal steering too,however this was already installed before this modiﬁcation. From top to bottom, the deviation from the designedorbit (DX [m]), beta function (BX [m]), dispersion function (EX [m]), beam size (SIGX [mm]) and the space thatthe beam occupies (equals to |DX| + 5σx (APEX [mm])are shown. All are in the horizontal direction.

Figure 5: New optics of ARBT. BPAPS1, 2 are the bending
magnets and the green thin rectangles express quadrupolemagnets.

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Figure 6: One example of ARBT tuning. The left is the ﬁrst state before the tuning, and the center is after the roughtuning of BPAA1 and BPAA2. The right is after the ﬁne tuning. From top to bottom, the deviation from the designed
orbit in horizontal (DX [m]), the one in vertical (DY [mm]) and the total charge transported to the point [a.u.] are shown.
DX and DY looks good in the left, however these were the false signals with too weak electric input due to the off-centerbeam.

え込むため、新規に挿入する水平ステアリング「HS2」「HS3」は BPFS の直下流に配置した。
ARBT の新たな optics (Fig. 5) では、パルス偏向電磁石と「BPAPS1, 2」により BPFS により発生する余剰蹴り角を実効的に実質的に低減させる。パルス偏向電磁石は 50 Hz で動作しているが、振幅はその pulse 間で変更できず ARBT と PFBT の間で最適化できないため、pulse の位相 (delay) を変更を変更することで実効的にARBT でのパルス偏向電磁石蹴り角を抑制する。BPFSによる元の余剰蹴り角は 6.66 mrad で、パルス偏向電磁石と BPAPS1, 2 による抑制によって元の 64.6 % となる4.30 mrad まで低減される。
今回製作した電磁石や真空ダクト、設置・アライメント等については本年会で報告の [5, 6] を別途確認していただければ幸いである。

4.

コミッショニングとユーザー運転への適用

4.1 コミッショニング
第一段階として、PFBT 改造前の昨年 (2022 年)5 月に、ARBT 単独での 5 GeV ビームの輸送試験を実施した。これは前述したように、新たな ARBT optics はハードウェアを変更せずにテストできたためであり、5 月
14 日、15 日の 2 日間でおおよその電磁石設定を確立できた。
続いて昨年の 10 月、11 月に、改造した PFBT を用いた入射試験を実施した。最も尊重されるルールは、調整ノブとして共通 DC 偏向磁石「BPFS」の電流値を変更しないことである。このルールに従う限り、ARBT とPFBT の調整は理想的には互いに独立なはずである。各BT には水平ステアリングもしくは偏向電磁石がいくつか存在する。しかし実際の軌道と設計上の差異を小さくするためにそれらを全てを調整ノブとして使用すると、軌道調整の収束は困難になる。 理想的に、位置と角度の設定に必要なノブは 2 つであり、ARBT では「BPAA1,2」、PFBT では「HS3, HS4」を調整ノブとして使用した (Fig. 3)。ARBT における調整過程の一例を Fig. 6 に示す。
コミッショニングの結果、ARBT・PFBT ともに従来の optics と同等の入射率が得られることを確認した。

4.2

ユーザー運転への適用

今年度 (2023 年度) の 4 月から開始されたユーザー運転で初めて新 optics の適用を行った。スケジュールの概要を Fig. 7 に示す。通常スケジュールと同様に当該期もPF から先に立ち上がった。PF-AR は 6.5 GeV ではなく5 GeV から立ち上がる予定で、裏で PF-AR が運転しないのであれば、PFBT の設定は従来 optics でも新 optics でもどちらでも問題ない。しかし後から PF-AR が 5 GeVで入射を必要とする場合、PFBT の設定を新 optics に切り替える必要があり一時入射が中断してしまうため、運転当初から新 optics を適用することとした。実際には、
4 月 25 日の PF 立ち上げ時は従来 optics を用い、4 月26 日に新 optics への切り替えをおこなった。これには 1
時間 40 分ほどを要した。5 月 10 日に PF-AR が立ち上がったが、前もって PFBT は新 BT で通していたため、PF-AR の立ち上げに際して PF への入射が滞ることはなかった。次に 5 月 29 日に PF-AR は 6.5 GeV に切り替わった。これに対応して、PF、PF-AR とも従来 BT opticsに戻した. PF ではこれに 30 分を要した。PF-AR に関してはリングそのものの切り替えもあるため BT 自体の調整時間については言及できないが、どちらも切り替えについてはトラブルもなくスムーズに実施できている。現在のところ、コミッショニング時に確立したパラメータ- 47 -Figure 7: User-time schedule in FY2023 Spring.

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Figure 8: Design optics and measured one of PFBT in vertical direction.

optics matching を実施する必要がある。そのため、今年(2023 年)11 月開始の次期運転では、PF 運転前から入射器 (linac) と協調して調整する予定である。
PFBT の調整については本年会にて報告の [7] を別途を呼べば、大きな調整は必要ない状況となっている。

5.

Phase 1.5 の改造

前 述 し た よ う に 我 々 は 既 に PF-AR 5 GeV と PF
2.5 GeV の同時トップアップ入射を実現しているが、 確認していただければ幸いである。
今年 (2023 年) の夏、phse 1.5 と呼ばれる改造を追加実施
謝辞した. Phase 1 では新たに 3 つの水平ステアリング「HS2,KEK 物質構造科学研究所 (IMSS) および KEK 加速器
3, 4」を設置した。一方、「HS1」は既設の電磁石で蹴り研究施設第 6 研究系の皆様には、改造予算やコミッショ角が相対的に小さく、フル定格 3 A、0.7 mrad で新 PFBTの軌道を成立させており、余裕がなかった。今回、同じ仕様のステアリング電磁石を新たに 4 つ製作しており、HS1 を 4 つ目 (最後) の水平ステアリング電磁石に置き換えることで、ビーム軌道の成立がより安定することが期待される (Fig. 9)。この作業では phase 1 と同様、新たなステアリング電磁石のギャップに合わせて垂直方向に狭い真空ダクトを新規に製作、設置した。
これにより、次期の運転において optics matching を行う必要がある。Figure 8 に PFBT 垂直方向の設計 opticsと、Qscan 結果を反映させた optics を示す。設計ではphase 1.5 の改造部にて縦方向 beamsizeσy は 1.0 mmであるのに対し、2022 年 10 月に測定した optics では2.6 mm となっている。新規設置した扁平ダクトの垂直方向口径は片側 8 mm であり、測定結果を反映すると 3σ程度までしか確保することができない。本改造はこれまで 5σ の確保を前提としており、これを実現するためには、入射器側の 4 極電磁石から調整し、PFBT 入り口のニング時間の調整等に多大なご協力を賜りましたこと、改めて感謝申し上げます。また、入射器第 3 スイッチヤードの改造と関連する情報の共有にご協力いただきました加速器研究施設第 5 研究系の皆様にも感謝の意を表したく存じます。

参考文献

Figure 9: Phase 1.5 modiﬁcation.

- 48 -[1] 東直 他, “PF-AR 直接入射路の建設とコミッショニング”,
PASJ2017, THOL10.
[2] 長 橋 進 也 他, “PF-AR に お け る 5 GeV 運 転 の 状 況”,
PASJ2020, THPP63.
[3] 本田融 他, “PF-AR の測定器開発テストビームライン建設計画”, PASJ2021, MOP049.
[4] 東 直 他, “PF-AR の 低 エ ミ ッ タ ン ス 化”, PASJ2017,TUP013.
[5] 満田史織 他, “PF-AR における 5GeV トップアップ運転実
現のための輸送路の改造”, PASJ2023, TUP15.
[6] 長橋進也 他, “PF-AR における 5GeV トップアップ運転実
現のための電磁石設置”, PASJ2023, TUP43.
[7] 下崎義人 他, “KEK PF-BT に関するシミュレーションモ
デルの改修と加速器調整への適用”, PASJ2023, TUP47.