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)

STATUS OF ACCELERATOR BEAM DIAGNOSIS BEAMLINE I, II OF
SPring-8 STORAGE RING
H. Ohkuma, S. Takano, M. Masaki, K. Tamura, T. Yorita, M. Shoji, M. Oishi, S. Suzuki, K. Kawase(A)Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI/SPring-8)
1-1-1 Kouto, Mikazuki, Sayo-gun, Hyogo, 679-5198(A)
Research Center for Nuclear Physics, Osaka University, Mihogaoka 10-1, Ibaraki, Osaka 567-0047, JapanAbstract
The accelerator diagnosis beamlines I and II of the SPring-8 storage ring have been presented. The beamline I has abending magnet light source, and wide band spectral availability including visible/UV light, and soft and hard X-rays isexpected. A visible light is transported from the optics hutch to a dark room located in the experiment hall. Single
bunch impurity has been measured by a gated photon counting method, which utilizes fast Pockels cells for switchinglight pulses. X-ray imaging observation of the electron beam using a zone plate X-ray beam profile monitor is inprogress in the beamline I. Construction of the beamline II is in progress. The frontend were installed in the acceleratortunnel. The radiation shielding hutches were built on the experimental hall. The beamline II has a straight section for aninstallation of insertion devices (IDs) as light sources. A design of the ID has been started. In our design, a magnet arrayof ID can be changeable easily in the accelerator tunnel. Study of production of 10MeV γ -ray photons is in progress inthe beamlines I and II. The γ -ray photons are generated by backward Compton scattering of an optically-pumped far
infrared laser photons by 8GeV electrons of the storage ring.

SPring-8蓄 積 リ ン グ 加 速 器 診 断 I お よ び IIの 現 状
１．はじめに２．加速器診断I

SPring-8蓄積リング は1997年に運転 を開始した第３世代光 源加速器 である。 SPring-8のビー ムライン
計画には 、始めの 段階か ら加速器 ビーム診断用の 2本のビームラインの設置が盛り込まれていた。加速器診断 Iと称 する偏 向電 磁石か らの放 射光を取り出すビームラインの設計を開始したのは1998年であった。2001年には可視光を用いたバンチ純度の測定が開始された。その後、ストリークカメラを用いたバンチ長測定、冷却水の放射光照射による影響を調べる実験、 FZPとX線ズーミ ング管 を用いた ビームサ
イズ測定な どが行わ れている。 加速器診 断IIは挿入光源な どを設 置で きる約5mの直 線部 を有したビームラインであり、2001年から設計・検討を開始した。
2004年現在では、放射光遮蔽ハッチ、基幹チャンネ
ルの 設置 が終 了し て、 上流 部の ハッ チで ある光学ハッチの最前部に設置したチェンバ端のBe窓から直線部の上下流にある偏向電磁石からのエッジ放射光が取り出せる状態になっている。現在、磁石列を比較的容易に交換できる挿入光源の設計・製作を進めている。また、それに対応した基幹チャンネルに設置する放射光シャッターとなるアブソーバの製作も進行中である。遠赤外レーザーを用いた逆コンプト
ン散乱に よる10MeV領 域のγ 線 の生成試 験が加速器
診断 Iで進行中 である。将来はレ ーザーと電子ビームの相互作 用領域が 長く取れる 加速器診 断IIでも行う計画であり、一部のコンポーネントの設置が行われている。
加速器 診断 Iお よびIIの 全体 につ いて の現 状を 報告する。

加速器診断Iは 、偏向電磁石からの放射光を利 用してビームの診断等を行なうためのビームライン である。可視光からX線までの放射光によるビーム 診断が可能なように、光源点から実験ホールに設置 した光学ハッチ内のX線輸送チャンネルまでの間に Be窓を設置しておらず、超高真空仕様となっている 。
図１に加速器診断Iの基幹チャンネル部および放 射線遮蔽光学ハッチ内のX線輸送チャンネル部の機 器配置図を示す。

593

図１：加速器診断I：基幹チャンネルとハッチ 内
X線輸送チャンネル
可視光放射光を用いた計測の利便性のために 、鉛で遮蔽された輸送管により、可視光成分を 遮 蔽ハッチの外へ取り出すことを行っている。遮蔽ハ ッチ内のビームライン上流部に可視光取出し用 の ミ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)

ラーチェンバが設けられている。放射光の可視光成分の鉛直方向 の角度拡が りが、X線成 分に比べて大きいことを利用し、放射光の鉛直分布の下側の裾の部分を、反射面にアルミを蒸着した無酸素銅製のミラーによって下向きに反射させる事により、可視光成分を分離している。反射された可視光線は、遮蔽ハッチ床面のピットに設けられた可視光輸送管を通してハッチ外部の暗室になっている可視光実験室に導かれる。ハッチからの放射線の漏洩を避けるために、可視光輸送管はハッチ外で屈曲されており、全体を鉛で遮蔽している。可視光実験室では、ビーム調整やマシンスタディ等で、ストリークカメラによるバンチ長測定や２段のポッケルスセルと偏光子の組み合わせからなる高速光シャッター付き光子計数装置（ 立ち上 がり時 間1ns以 下。シ ャッタ ー開と閉の光子 透過率 の比で ある消 光比105 台）[1]による単バン チ純 度測 定等 、電 子ビ ーム の縦 方向 （時間方向）についての診断が行われており、光源電子ビームの品質を高めるための、重要な知見が得られている。単バンチ純度の測定では蓄積電流1mAの単バンチに対して10-10台 の不純バンチ検 出感度を達成している。
X線輸送部 には、単 色X線を 得るため の二結晶分光器、X線ビームを整形するための四象限スリット、X線ビームの 位置を測定 するための蛍 光板モニターやX線強度を 調整するた めのフィルタ ー、ワイヤスキャナー等が置かれている。二結晶分光器も超高真空仕様で あり、シ リコン単 結晶の(111) 反射により4keVから14keVま での光子エ ネルギー範 囲をカバー
し 、 高 次 の(333)反 射 を 用 い る こ と に よ り 最 大 で42keVまで の単 色X線 が得 られるよう に設計されている。分光器の第一結晶と第二結晶は、水冷された無酸素銅ホルダーにより間接的に冷却されている。
二結晶分光器 の下流側で 白色X線が利 用できるように、分光器真空チェンバ内で結晶及び結晶駆動機構を光軸から退避することが可能な構造となっている。
電子ビームのエミッタン ス評価のために、X線 放射光を結像さ せて光源ビ ーム像を観測 するX線ビー
ムプロ ファ イル モニ ター を開 発し てい る[2]。図２に装置の概念図を示す。このビームプロファイルモ
Si (111) θ=8~30deg.
λ=0.087~0.314 nm
E= 3.95~14.2 keV∆λ /λ ~ 2.3X10-4(@λ=0.15 nm)

フレ ネルゾーンプ レート(FZP)

二結晶分光器Ｘ線ズーミング 管
浜松ホトニクス C5333

e光源点
ワ イヤスキャナ ー32.2m

四象限ス リット8.8m

図２：位相型ゾーンプレ ートを用いたX線ビーム
プロファイルモニター
ニターは、微少な鉛直方向エミッタンスが精度良く評価可能なように１µmの 空間分解能(1s)を目標としており、二結 晶分光器で 得られた単色 X線を位相型

594

ゾーンプレートを用いて結像し、光源電子ビーム のX線像を最下流部に設置されたX線 ズーミング管 により観測する。測定に用いる単色X線 の光子エネ ル
ギ ー は 約8keVで あ る 。 ゾ ー ン プ レ ー ト の 直 径 は1.4mm、 ゾー ン 数468 、 最外 ゾー ン 幅は0.75µm 、材質タンタルの遮光部の厚さは2µmである。これ らのパラメータは、数値シミュレーションにより回 折効率、色収差等結像性能の評価を行って決定した 。
二結晶分光器、X線ズーミング管などの改良、最 適化を行ってきた。図３に、最近のユーザータイム 中に測定した電子ビーム像の例を示す。ビームサイ ズは、 σx=144µm （水 平 ）、σy=25µm （垂 直 ）で あ った。垂直ビームサイズについては、二次元干 渉 計[3]など他の測定にくらべて大きめの値となって おり、この原因等については調査をすすめている。

図３：X線ビームプロファイルモニターで測定 した電子ビーム像の例
白色光を用いて、放射光による加速器コンポ ーネントの評価、また損傷の調査などの実験を行っ ている。具体的事例として、アブソーバからの散乱X線によると考えられる4 極電磁石コイルの放射線 損
傷 を 模 擬 す る 加 速 試 験 を 行 っ た[4]。 ま た 、 ア ブ
ソーバの冷却水に放射光が照射される事による冷 却
水 路 内 の 銅 腐食 の 加 速 を 調 べ る 事 も 行 っ た 。
SPring-8では銅と純水が接している箇所に放射光 が照射されるとその腐食が非常に早く進行する現象 が観測されている。原因を調査するために、冷却水 照
射用の水冷フランジを製作して測定を行った。原 因の完全な究明は成されていないが、腐食には純水 中の溶存酸素量が大きく関わっていて、放射光照射 により溶存酸素量とpHが 変化 する ことが測定され ている。詳細な実験を行うために、照射状態での冷 却
水の溶存酸素量、pH、 電気 伝導 度の変化を測定 するための装置の製作を行い、近々、測定を開始する。
白色光取り出し窓のすぐ上流部には実際に蓄 積リングで使われているアブソーバなどを取り付け て白色光を照射することが出来るチェンバが設置さ れており、放射光照射による脱ガス効果の測定など が行われている。将来は、アブソーバの熱負荷によ る温度上昇、応力歪み、真空特性を詳しく実験的に 評価出来るようにして、光源の高輝度化、高電流運 転などに対応する技術開発を行う事を目指している。

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)

３．加速器診断II

４．遠赤外レーザーを用いたγ線の生成

もう１ つの 加速 器ビ ーム診 断用 ビー ムラインである加速器 診断IIは 、挿入光源 などを設 置する事の出来る 約5mの 直線 部を有してい る。 建設途上にあり、現在までに基幹チャンネル、放射線遮蔽ハッチの設置が終わり、蓄積リング収納部の遮蔽壁を抜けた光学ハッチの上流部にチェンバが設置されており、その端部に取り付けられたBe窓から、直線部の上下流の偏向電磁石エッジからの放射光が取り出せる状態になっている。この先のコンポーネントについて
は、現 在検討 中であ り、 加速器 診断Iと同様に可視光からX線ま での広範囲 の放射光を用 いたビーム診断などが出来るように、ビームラインの途中にBe窓を設ける場合には可動式とするなどの工夫をする。
光源の １つ とし て、 直線部 に設 置す る挿入光源の設計・製作が進行中である。この挿入光源装置は、比較的容易に蓄積リング収納部内の現場で磁石列を交換できるように設計している。図４に設計中の挿入光源装置を示す。図は電子ビームの進行方向に上流から下流を見た配置で示されている。磁石列交換の際には、挿入光源本体を左のメンテナンス位置に退避して、その作業を行う。更に、この挿入光源装置はそれ自体を直線部から撤去出来るようにも考えている。これにより、直線部には目的に応じた様々な装置が設置できるようになる。また、挿入光源用
真空 チェ ンバ は直 線部 の中 央部 の約1.4mは 矩形 の断面を持つ単純な構造としてあり、試験的な装置の設置に対応できるように考えてある。

電子ビームと遠赤外レーザー光との逆コンプ トン散乱により、10MeV領域の狭い角度拡がりを持 った直 線 偏光 ま た は円 偏 光のγ 線 を生 成 する 試 験 を行っている。MeV領域 γ 線を利用した核物理、核 物性等の研究の展開が期待されるだけでなく、生成 されたガンマ線の偏光度の測定などから電子ビーム 診断を行うことも考えている。SPring-8で遠赤外レ ーザーコンプトンを行うメリットとして、SPring-8蓄積リングの運動量アクセプタンスによるエネルギ ー巾が十分に拡い（±200MeV）ので逆コンプトン 散乱により蓄積電子が失われることがなく、蓄積ビ ームに影響を与えない事がある。また、高エネルギ ー低エミッタンスの電子との相互作用であるので、 生成γ 線の角度拡がりも従来にない小さいものとなる。
これまでに、CO2レーザー励起の高出力の遠赤 外レーザーの開発を行ってきた。CH3OHを媒質と した遠赤外レーザーで高出力が得やすい118.8µmの 連続発振において、出力ミラー直近で約1.6Wの出 力が得られている。
長波長レーザーである遠赤外レーザー光は回 折拡がりが大きいため、実験ホールに設置された遠 赤外レーザーからの光を、乾燥空気を中に流したア ク
リル製の中空光導波管を用いて伝送している。蓄 積リング収納部への導入には、遮蔽壁天井部の貫通 孔に光導波管を通して行っている。基幹チャンネル の途中に設置された真空中に最終ミラーを格納 し たチェンバの窓からレーザー光を入射する。現在、 基幹チャンネル上流部での遠赤外光のプロファイル を測定するモニターの製作などを行い、試験的なガ ンマ線生成試験を開始している。
遠赤外レーザーを用いた逆コンプトン散乱に よる10MeV領 域のγ 線 生成 を加速器診断IIで行う計 画を進めている。電子ビームとの相互作用領域にな るべく近い所から効率よくレーザー光を導入するた めに、チェンバ内に可動式ミラーを組み込んだ蓄積 リング真空系の一部であるクロッチチェンバを製作し、蓄積リングに組み込みを行った。加速器診断IIは 先に述べたように約 5mの直線部を有しており、レ ーザー光の高効率導入と組み合わせることにより、 高強度のγ 線生成が期待できると考えている。

y11 00zx
電子ビーム軸位置

フレーム（メンテナンス位置）

光源用真空チェンバー（通常設置位置）

23 00

共通ベース
床面レベル
ベース架台

参考文献

リニアガイド

床面箱抜き

110 0

[1] K. Tamura, T. Aoki, “Single Bunch Purity During
SPring-8 Storage Ring Top-up Operation”, theseproceedings.
[2] S. Takano, et al., Proc. 14th Symposium onAccelerator Science and Technology, Tsukuba,(2003) 491.
[3] M. Masaki and S. Takano, J. Synchrotron Rad. 1 0(2003) 295.
[4] K. Tsumaki et al., “Radiation Damage of Magnet
Coils due to Synchrotron Radiation”, presented at
EPAC04, 5 to 9 July, 2004 Lucerne, Switzerland.

110 02 915

図４：加速器診 断IIに設置され る挿入光源装置の概念図
挿入光源本体と共に最初に製作する磁石列はmulti-pole wiggler typeのものを考 えている。これからの 放射 光に よる 熱負 荷に 耐え うる 基幹 チャンネ
ルア ブソ ーバ の製 作も 進め てい る。 高熱 負荷に耐える ため に斜 入射 で放 射光 を受 ける が、 長手方向のコ ンパ クト 化の ため に、 アブ ソー バを ２段に分けてタンデムに２つ配置する設計とした。

595