Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 7-10, 2018, Nagaoka, Japan

PASJ2018 WEP028

コンパクト ERL 周回部のオプティクスとエミッタンス測定
MEASUREMENTS OF BEAM OPTICS AND EMITTANCE AT THE COMPACT ERLRECIRCULATION LOOP
島田美帆 ∗A) 、布袋貴大 B) 、宮島司 A) 、高井良太 A) 、帯名崇 A) 、本田洋介 A) 、中村典雄 A) 、原田健太郎 A) 、上田明 A) 、加藤龍好 A)
Miho Shimada∗ A) , Takahiro HoteiB) , Tsukasa MiyajimaA) , Ryota TakaiA) , Takashi ObinaA) ,Yosuke HondaA) , Norio NakamuraA) , Kentaro HaradaA) , Akira UedaA) , Ryukou KatoA)
A)
High Energy Accelerator Research Organization, KEKB)The Graduate University for Advanced Studies, SOKENDAI

Abstract
Energy Recovery Linac (ERL) is expected to realize the extreme low emittance or short bunch at a relatively highaverage current, which is required at the high intensity FEL or THz radiation source. It is important to control and analyze
the beam dynamics at the Compact ERL (cERL), the test facility based on the superconducting linac. In a few tens pCbunch charge operation, the emittance growth due to the collective effects are not negligible at the cERL. The linear optics
at the recirculation loop is optimized to suppress the emittance due to the CSR wake with the simulation code, ELEGANT.
At the optimized optics, the space charge effect of the recirculation loop is also estimated with General Particle Tracer,
GPT. In the cERL commissioning, the transverse emittance are measured by the Q scan method at several point in therecirculation loop. We summarized and discussed both results.

1.

はじめにエ ネ ル ギ ー 回 収 型 線 形 加 速 器 (Energy RecoveryLinac, ERL) では、加速した電子ビームからエネルギーを回収して新しい電子ビームにエネルギーを与える。そのため、線形加速器ならではの低エミッタンスや短バンチの電子ビームを 10mA 近くの高い平均電流で運転することが可能となる。この特徴か
ら、大強度の自由電子レーザー (Free Electron Laser,FEL) やコヒーレント放射の光源として期待されている [1,2]。コンパクト ERL(Compact ERL, cERL) は CW
超電導加速器による試験機として建設され、2013 年から段階的に試運転を進めている [3, 4]。レイアウトを図 1 に示す。入射加速空洞でおよそ 3-5MeV に加速された電子ビームは入射角 16 度で周回部に合流する。主加速空洞で加速・エネルギー回収が行われ、減速したビームはダンプに輸送される。この入射・ダンプビームを振り分けるシケインは、周回ビームと運動量比が 1:6 かそれ以上の比率で軌道が振り分けられるように設計している。主加速空洞では、2台の TESLA 型をもとに独自に設計した 9 セル空洞を一つのクライオモジュールに入れている。将来的にはさらに 4-6 台の空洞を追加できるようにスペースを確保している。主加速空洞側の直線部を北側、反対側を南側直線部と呼ぶ。コミッショニングの電子ビームのエネルギーは、主加速空洞のフィールドエミッションの状況を考慮しながら調整しており、2018 年 3-6 月の運転では、周回ループで 17-18MeVであった。

∗ miho.shimada@kek.jp

Figure 1: Layout of compact ERL. Simulation codes (GPTand ELEGANT) in the S2E simulation are swicthed at thepoint A.

2.

周回部オプティクス設計とエミッタンス増加

電子が十分に加速されていない低エネルギー領域
では、空間電荷効果 (Space Charge Effect, SC) の影響によるエミッタンス増加を考慮してビーム輸送のオプティクスを設計する必要がある。そのシミュレー
ションに General Particle Tracer (GPT) を使用しているが、SC を取り入れた粒子トラッキングには膨大な計算時間・CPU が必要になる。そこで、オプティクスの最適化を、周回エネルギーに加速するまでを GPT、その後の周回ループは ELEGANT を用いて行った。
GPT の最適化では SC の効果を取り入れているが、ELEGANT では SC の効果を入れずに計算時間を短縮した。しかし、CSR wake の影響は考慮している。
このように、加速器の場所によって計算コードを変える手法を Start-to-end (S2E) simulation と呼ぶ。
周回ループのアーク部は、4 つの偏向電磁石でTriple Bend Achromat (TBA) に似た対称的なラティスを構成した。さらに水平方向のオプティクスを対照に保ち、アーク中心の水平分散関数から進行方向の- 359 -Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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分散関数 (転送行列の R56 成分) を推測することができるようになっている [5, 6]。偏向電磁石の間には3 つの四極電磁石の Triplet を設置しており、アクロマートの条件を維持しながら R56 やアイソクロナス（R56=0）条件を調整する。Triplet の極性の組み合わせには１つの自由度があるが、triplet の K 値の絶対値が小さくなるように DFD とした。
オプティクスが対称となる条件は、2 つの triplet のK 値が対称であり、アーク中心で αx =0 となることである。アーク中心の βx が変数として残る。簡単に CSR wake によるエミッタンス増加の影響を調べるために、理想的なガウシアンビームでアークのみのトラッキングを行ったところ、βx =5m でエミッタンス増加が最小となった。その結果を図 2 に示す。
アーク入り口で、電子エネルギー 35MeV、バンチ電荷 80pC、規格化エミッタンス 0.4mm-mrad、バンチ長 3ps としている。
アクトマートの条件ではアーク部全体で水平方向に収束するオプティクスになるため、垂直方向でベータ関数が大きくなる傾向にある。ベータ関数の最大値を抑えるため、垂直方向もアーク中心でαy =0 とし、対称性を保つようにした。アーク部中心で βy =5m とすると最大ベータ関数が 40m 程度となる。このようにアーク部のベータ関数を設計したのちに、北側・南側直線部でマッチングを行った。周回ループ全体の設計オプティクスを図 3 に載せる。
周回ループにおいてもエネルギーが十分大きくないため、SC によるエミッタンス増加が懸念される。
その評価を行うため、設計オプティクスで GPT によるトラッキングを行った。計算時間節約のため、このGPT の計算では CSR wake の影響は含まれていない。
水平・垂直の規格化エミッタンスが 0.26 mm-mrad、バンチ長が 2ps のガウシアン分布の理想的なビームが周回ループに入射したとして計算を行った。図 4にトラッキングの結果を示す。電荷量が 77pC の場合は、分散関数が閉じている直線部においても有意なエミッタンス増加がみられることがわかる。CSRwake によるエミッタンス増加は ELEGANT で見積もった（図 4）。電荷量 77pC でエミッタンス増加が目立つようになる。SC については垂直方向にも水平方向と同程度のエミッタンス増加がみられた。

Figure 2: Simulation results of horizontal normalized emittance at the exit of the first arcas a function of the horizontal betatron function at the center of the arc. The computercode elegant is used with a macroparticles of 105 . R11 element of the arc section is also shown.

Figure 3: Betatron and dispersion functions along a beamline of the recirculation loop, that is, from the point A (theexit of the main linac) to the beam dump.

いる。対称的なオプティクスを保ちつつアーク出口で分散が閉じるように手動で調整している。
バンチ電荷 60pC に最適化・調整したオプティク
スで、60pC, 40pC, 20pC を輸送し、エミッタンス測定を実施した。これは quadrupole scan method と呼ばれる手法で測定しており、四極電磁石の応答を下流のビームサイズをスクリーンで測定する方法である。
このエミッタンス測定は主空洞上流と下流（北側直線部）とアークを通過した後の南側直線部の 3 か所で実施した。2018 年 3 月の結果を図 5 および 6 に載せる。垂直方向は 60pC で 1∼2 mm-mrad と目標値に3 . エミッタンス測定近いことがわかる。この時の測定では、水平方向のコミッショニングのビーム調整においてもオプ エミッタンスは大きかった。電荷量が大きくなるほティクス設計の手順を踏襲している。バンチ電荷量、 ど、エミッタンスが大きくなる傾向にある。主加速
電子銃の印可電圧や電子銃レーザーのパルス形状 空洞やアーク部を通過するなど、下流に行くに従いに合わせて、低エネルギー領域のオプティクスをそ エミッタンスが増加していることがわかる。水平方の都度最適化している [7]。電荷量 60pC で規格化エ 向だけでなく垂直方向のエミッタンスも増加していミッタンスがおよそ 1mm-mrad を目標としている。 ることから、原因は CSR wake だけでなく、SC や他エネルギー回収を行わないときは、低いエミッタン の要因も考えられる。
大電流運転では入射合流部・ダンプのシケインをスを目指して、最大入射エネルギー 5.5MeV で入射する。分散関数（アクロマートやアイソクロナス） 通過させる必要があるため、入射・周回運動量の比の調整はアーク部で行い、北側・南側直線部でベー を 1:6 程度に抑える必要がある。2018 年 6 月の運タ関数によるビームサイズの調整（マッチング）を 転では、入射エネルギー 2.9MeV、周回エネルギー行っている。分散関数は主加速空洞の加速勾配を下 17.7MeV に設定した。およそ 800uA の大電流運転とげた時のビーム軌道変化を BPM で測定して求めて 同じ状況でエミッタンスを測定した。その結果を表 1- 360 -Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Figure 4: Result of the tracking simulations showing thechanges in the horizontal normalized emittance along therecirculation loop (from an exit of the ML to the dump).
Solid and dashed lines denote the results under bunchcharges of 77 pC and 7.7 pC, respectively. (upper) Simulation with GPT code including the space charge effect, and(lower) simulation with elegant code including the CSRwakes.に示す。北側直線部（主空洞下流）と南側直線部の 2か所で測定した。この時のバンチ電荷量は 0.6∼0.7pCである。以前は、コリメータでエネルギーのずれたテールをカットするために、あえて入射器空洞で斜めに入射して、キックを与えていた [8]。これはエミッタンスが増加する原因となっていたが、今回は入射器空洞の中心を通過させつつビームロスを抑えた。この結果より、大電流に耐えられる低ビームロスと低エミッタンスの運転がが共存できることがわかった。

Figure 6: Measurement results of normalized horizontal
emittance in the recirculation loop. Error bar is set to 10%.

4.

まとめcERL の設計オプティクスでは SC によるエミッタンス増加を抑える設計をしつつ、計算時間を節約するために S2E simulation を導入しており、GPT とELEGANT のコードを使用している。周回ループは
ELEGANT で CSR wake の影響が最小になるように最適化して設計したが、GPT で SC による影響を見積もったところ、有意なエミッタンス増加があることが分かった。コミッショニングでは 60pC, 40pC,20pC のエミッタンスを測定し、水平・垂直ともに下流で増加していることが分かったが、垂直方向は目標に近い結果が得られた。また、エネルギー回収やビームロス低減が必要な大電流運転と低エミッタンス運転が両立することが実証された。

参考文献

Figure 5: Measurement results of normalized horizontal
emittance in the recirculation loop. Error bar is set to 10%.

Table 1: Measuremnt Results of Normalized Emittance atthe High Beam Current Operation
normalized emittance[mm-mrad]

horizontal

verticalNorth straight section

0.290.26

South straight section

0.42

0.26

[1] N.Nakamura et al. ,“S2E simulation of an ERL-based highpower EUV-FEL source for lithography”, Proceedings ofIPAC2017, Copenhagen, Denmark (2017) pp.894-896.
[2] Y. Honda et al.; http://arxiv.org/abs/1807.06195[3] M. Akemoto et al, “Construction and commissioning of
the compact energy-recovery linac at KEK”, Nucl. Instrum.
Methods in Phys. Research A 877, (2018) 197-219.
[4] M. Shimada et al., “cERL 周回部のオプティクス測定”,
Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, 2015, pp. 971-974.
[5] M. Shimada et al, “Bunch compression at the recirculation
loop of compact ERL”, Proceedings of IPAC2016, Busan,Korea (2016) pp.3008-3010.
[6] Y. Honda et al., “Beam tuning and bunch length measurementin the bunch compression operation at the cERL, Nucl. Instrum. Methods in Phys. Research A 875, (2017) 156-164.
[7] T. Miyajima et al, “60 pC bunch charge operation of the compact ERL at KEK”, Proceedings of IPAC2017, Copenhagen,Denmark, (2017) pp.890-893.
[8] S.Sakanaka et al, “Measurement and control of beam losses
under high average-current operation of the compact ERL
at KEK”, Proceedings of IPAC2016, Busan, Korea, (2016)
pp.1839-1842.

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