ERL 放射光源のための full-DC 入射器の提案
羽島 良一 1 、峰原 英介
日本原子力研究所〒 319–1195 茨城県那珂郡東海村白方白根 2–4

概要エネルギー回収型リニアック (Energy-Recovery Linac;ERL) を用いた放射光源は、サブピコ秒の高輝度 X 線を生成できることから、次世代放射光源として大きな期待が寄せられている。われわれは、商業ベースで実用化されている大出力 DC 加速器 (Dynamitron) を使ったERL 入射器を提案し、性能の評価を行なった。ERL 放
射光源で要求される電子ビーム (バンチ長 〜3ps、規格化エミッタンス 〜2mm-mrad) が生成できることがわかり、また、buncher-booster で部分的なエネルギー回収を行なうことで、RF カップラーの負荷を 10kW 以下まで低減できることがわかった。

1.

はじめに

エネルギー回収型リニアック (Energy-Recovery Linac;
ERL) を用いた放射光源は、サブピコ秒のパルス幅を持ち、回折限界に迫る高輝度 X 線を生成できることから、次世代放射光源として大きな期待が寄せられている [1]。
ERL 放射光源の開発競争は、今、まさに始まりつつあるところであるが、解決すべき大きな課題の一つが大電流 CW 入射器である。これまでに、二つの方式の入射器 : L-band 超伝導リニアックと L-band 常伝導リニアックが提案されている。
超伝導リニアックを用いる設計では、1.8K の超流動ヘリウム温度に対応した大出力 RF カップラーの実現が大きな技術的障壁である。例えば、平均電流 100mA、入射エネルギー 5MeV を得るには 500kW の RF パワーが必要であり、入射加速器を 5 つの cavity に分割しても100kW の カップラーパワーになる。これは、TTF の設計値 : 208kW (peak) × 6.65% (duty) = 1.4kW(ave.) に比べると 2 桁大きな値であり、カップラーの基本設計からやり直す必要がある。また、常伝導リニアックを用いる設計では、CW 動作時の空洞の熱負荷が大きな問題であり、やはり、簡単には実現できそうにない。
ところで、大出力の電子加速装置としては、DC 加速器が商業ベースで実用化されている。100kHz 程度の RFを使って充電を行なう Dynamitron 型の DC 加速器は、100kW クラスの装置が照射滅菌などを目的とした産業利用に供されている [2]。われわれは、この大出力 DC加速器を使った ERL 入射器を提案し、性能の評価を行なった。PARMELA によるビームダイナミクス解析の結果、ERL 放射光源で要求される電子ビームが生成できることがわかり、また、buncher-booster で部分的なエネルギー回収を行なうことで、RF カップラーの負荷を10kW 以下まで低減できることがわかった。本稿では、
ERL 放射光源のための full-DC 入射器の構成と設計例を示し、エミッタンスやカップラーパワーの評価結果について述べる。
1 E-mail: hajima@popsvr.tokai.jaeri.go.jp2. ERL 放射光源用 full-DC 入射器の構成
2.1 フォトカソード
ERL 用のフォトカソードとしては、NEA (negativeelectron affinity) カソード (GaAs など) と PEA (positiveelectron affinity) カソード (Cs2 Te、K2 CsSb など) が候補に上がっている。NEA カソードは、TJNAF の CEBAF、IR-demo で実績がある (ただし CW 5mA まで)。比較的長い波長のレーザー (〜780nm、Ti:Sapphire の基本波)で動作可能なためレーザー装置の開発は容易であるが、カソード表面が劣化しやすく高真空が要求されるのでDC gun でのみ利用可能である。PEA カソードは TTFなどで開発が進められており、10mA × 数% duty のレベルでの実績を積みつつある。短い波長の光 (Nd:YLFの 2 次または 4 次高調波) が必要なため CW(100mA) 化には困難が予想される。

2.2

バンチ圧縮

主加速器に入射する時点である程度短いバンチ (〜3ps) にしておかなければ、周回軌道 (放射光生成を行なう) で 1ps 以下に圧縮するのが困難になる。ところが、NEA カソードを使った DC gun では数 ps のバンチを直接生成することはできない。NEA カソードは、光の吸収が小さく、表面から深い位置まで光が到達するからである。
ここでは、Cornell/Phase-I [4] のパラメータと同様にカソード直後のバンチ長を 17ps(rms) とし、主加速器入口までに 17ps → 3.3ps の圧縮を行なうことにする。バンチ圧縮の方法としては、(1) 電子銃直後にbuncher を置く (TJNAF/IR-demo)、(2)booster 空洞で圧縮 (Cornell/Phase-I) 、(3) 合流部で磁気圧縮などが考えられるが、われわれは、所定のバンチ圧縮が得られ、かつ、当初の動機であるカップラーパワーの低減を達成できる方式として、合流後に velocity bunching を行なうことにした。velocity bunching には、位相速度を調整した RF 空洞で圧縮する方式 (ponderomotive bunching)とドリフト空間で圧縮する方式 (ballistic bunching) があるが、本稿では、両者を併用して所定の圧縮率とカップラーパワーの低減を同時に得るような設計を行なった。
ちなみに、ponderomotive bunching と ballistic bunchingの併用は、原研 FEL の 2.3MeV 入射器でも実績がある
[5]。

2.3

合流部

入射器と周回軌道の合流部は、エミッタンス増大が比較的小さく、運転が容易な 3-dipole 方式を採用した。中央の偏向磁石のエッジ角でアクロマティックを実現し、さらに、エッジに曲率を設けることで 2 次収差を最小にできる。

4

recirculating beam

to main acc.

σx,y (mm)3buncher-booster

xy2
10DC-acc.

3-dipole merger
4σz (ps)x2
y10303020201010acc.

00dec.

1.3m

0Q-doublet

1.0m

1.86m

設計例と性能評価

full-DC 入射器の例として以下のパラメータ (TESLA
空洞をベースに 1.3GHz のシステムに合わせてある) を使って設計を行なった。
電子銃: GaAs カソード、バンチ長 17ps(rms)、電荷77pC、繰り返し 1.3GHz、平均電流 100mA、アノード
電圧 250kV。DC 加速器: 加速電界 2MV/m、電圧 2MV。
合流部: 3-dipole 型、偏向角 15 度、曲率半径 1m、磁石間 0.82m。buncher-booster: 1.3GHz、3cell × 3 + 9cell、空洞あたり加速電圧 1.2MV (3cell)、20MV(9cell) 、Q0 =5 × 109 。
3cell 空洞は TESLA 空洞 (9cell) と同じ形状とし、RF空洞と DC 加速部の電界分布は、それぞれ SUPERFISH 、POISSON で求め、PARMELA と組み合わせてビームダイナミクスの解析を行なった。アノード位置と DC 加速直後の 2 箇所にソレノイドを設置し、また、合流部の前後に計 6 台、buncher-booster の途中に 2 台の Q を置いて、横方向のマッチングを取った。Q のパラメータはTRANSPORT で決定した後に、空間電荷の効果による補正を施して PARMELA の入力とした。
図 3 にビームダイナミクスの計算結果として、電子銃から buncher-booster 出口までのビームエンベロープ(rms)、エミッタンス (規格化 rms)、バンチ長 (rms)、エネルギーをプロットした。buncher-booster 出口でのパラメータは、E=23MeV、εx = 1.5mm-mrad 、εy = 1.5mmmrad、σz = 3.3ps(rms) などである。以下に、横方向・縦方向ビームダイナミクスについて詳しく述べる。

3.124681012z (m)図 2: buncher-booster の構成： 3cell × 2 + drift(1m) +3cell + 9cell 。エネルギー回収を行ないつつ、17ps のバンチを 3.3ps まで圧縮する。

3.

E (MeV)

図 1: full-DC 入射器の構成: 2MeV で合流後、buncherbooster で圧縮を行ないつつ 24MeV まで加速し、主加速器へ入射する。

εx,y (mm-mrad)3laser

横方向エミッタンス

横方向エミッタンスのソースは、(1) カソードの熱エミッタンス、(2) カソード／アノード間におけるエミッタンス増大、(3)DC 加速中におけるエミッタンス増大、

図 3: PARMELA によるシミュレーション結果 : (上) エンベ
ロープ、(中) エミッタンス、(下) バンチ長とエネルギー。

(4) 合流部におけるエミッタンス増大、(5)buncher boosterにおけるエミッタンス増大、などである。
NEA カソードの熱エミッタンスは、レーザースポッ
ト r = 1mm に対して εn,rms = 0.13mm-mrad (以下、横方向エミッタンスは規格化 rms 値) である [3]。ここでは、カソード／アノード間のエミッタンス増大を含めてアノード直後で 0.5mm-mrad のエミッタンスを仮定し、PARMELA シミュレーションの初期値とした (アノード電圧は 250kV)。
DC 加速中のエミッタンス増大は、linear growth とnonlinear growth に分けられる。ソレノイド磁場を与えることで linear growth は補償可能である。アノー
ド電圧 250kV、バンチ長 17ps(rms、parabollic 分布)、
レーザースポット r = 1mm、加速勾配 2MV/m などとすると、2MeV までの DC 加速における linear growth
は、0.5mm-mrad と見積もられる。PARMELA の計算でnonlinear growth を含めては、ソレノイドによる補償と√0.72 − 0.52 = 0.5 mm-mrad となった。
合流部におけるエミッタンス増大は x 方向 (偏向面)が主であり、偏向磁石の磁場分布に起因する高次収差とηx = 0 部におけるエネルギー再配分 (縦方向空間電荷、CSR) に起因する効果である。設計では、2 番目の偏向磁石のエッジ曲率を二次収差が最小になるように決めた。
空間電荷によるエネルギー再配分の効果は、電子エネルギー、バンチの形状 (縦横)、電荷量、偏向角、偏向磁石間の距離などの関数である√ [6]。PARMELA の計算結果が示すエミッタンス増大 1.02 − 0.72 = 0.7mm-mrad
は理論解析の結果とほぼ一致している。PARMELA に含まれていない CSR の効果をエネルギー再配分の大きさから見積もれば、空間電荷の寄与と同程度と考えられる。
buncher-booster でのエミッタンス増大は、RF 電場の非線形性と bunching に伴う空間電荷によるものである。
両者ともに、横方向のビームサイズと関係があるので、ビームエンベロープを適切に制御することが重要である。ところで、ERL 入射器では合流部に偏向磁石があるために、x、y のエンベロープが非対称にならざるを0.4

6000.2500# of particles

dE (MeV)0-0.2-0.4-0.6

Im

Idec

Vg

400
300

Vc-1Re200
100-0.8VbΨ

Iacc+Idec

Iacc

0-101

2

34time (ps)567-2 0246 8 10 12 14 16time (ps)

図 4: PARMELA によるシミュレーション結果 : buncherbooster 出口での縦方向位相分布とバンチ波形。

得ず、図 3 にも示したように、ballistic bunching の過程(drift) においてエンベロープの非対称性に対応したエミッタンス増大が現われる。PARMELA シミュレーショ
全体でのエミッタンス増ンで得られた buncher-booster√
2 − 1.02 = 1.1mm-mrad 、y 方向がx方向が1.5
大は、√1.52 − 0.652 = 1.4mm-mrad となった。

図 5: 3cell 空洞における RF 収支 : 加速電流 (Iacc ) と減速電流 (Idec ) の和が作る電場 (Vb ) と空洞電界 (Vc )、RFgenerator (Vg ) が釣り合う。角度 Ψ は detuning angle である。

#1
#2
#3

4.

表 1: 3cell 空洞のパラメータΨacc / ΨdecQLδf (Hz) Pg (kW)−70 / 162 4.8 × 104
2700 9.91700 6.2−67 / 150 6.5 × 10477 / 241 1.3 × 105
400 1.8まとめ

Dynamitron 型の DC 加速器を使った ERL 放射光源の入射器を提案し、設計例を示した。NEA カソードを用いPARMELA で得られた、buncher-booster 出口の縦方向 た電子銃、3-dipole 型合流部、buncher-booster(1.3GHz)
位相分布とバンチ波形を図 4 に示す。rms 値で評価した を組み合わせた構成で、ERL 放射光源が要求する電子バンチ幅は 3.3ps であるが、長い裾を引いたバンチ波形 ビーム : 平均電流 100mA(77pC × 1.3GHz)、規格化エである。これは、バンチ圧縮の非線形性 (高次収差) の ミッタンス (<2mm-mrad) 、バンチ長 (rms 3ps) が得らために、三日月型の位相分布になっているからである。 れ、また、buncher-booster では部分的なエネルギー回収
高周波成分を多く含んだバンチ波形は、超伝導空洞中 を行なうことで、カップラーパワーを 10kW 以下に抑に高いパワーレベルの HOM を誘起するために、ERL えられる見通しを得た。
本稿の解析に含めなかった CSR を含んだビームダイ入射器としては好ましくない。より flat-top に近いバン
3rd-harmonics cavity によるバンチ圧縮の改ナミクス、
チ波形を得るためには、XFEL のバンチ圧縮器と同様にfasttuner
による RF detuning の制御、DC 加速電圧善、
3rd-harmonics cavity を buncher-booster に組み込む必要のリップルの影響などは、今後の検討課題としておきがある。今後の検討課題としたい。
たい。
各空洞における RF 収支は、加速・減速ビームの電流と位相、空洞の QL と detuning (δf ) から求めることができる。図 2 に示すように、3-cell 空洞では加速・減速 参考文献
ビームの位相差が 180 度にはならない。しかしながら、 [1] D. Bilderback et al., Synchrotron Radiation News, vol. 14,No. 3, 12–21 (2001); M. Tigner et al., Proc. 2001 Particle
二つのビームの複素平面でのベクトル和は減速になる
Acc. Conf. pp. 230–232.
ので、QL と δf をうまく選べば、完全なエネルギー回[2] C.C.Thompson and M.R.Cleland, Nucl. Instr. Meth. B40/41
収動作が可能で RF の供給をほぼゼロにできる。ただ(1981) 1137–1141.
し、ビーム off (δf = 0 でマッチングがとれる) からビー
[3] C.Sinclair, “photocathode and DC gun summary”,
ム on への過渡変化に応じて、tuner を大きく (kHz オーin Proc. of the PERL Photocathode Gun Workダーで) 動かさなければならない。ここでは、tuner をshop,<http://nslsweb.nsls.bnl.gov/nsls/org/
固定した状態で、beam-on/off ともにカップラーパワー
PERL/GunWorkshop.htm>
が小さくなるような QL と δf を求めた (表 1 参照)。RF[4] S.M.Gruner and M.Tigner, eds., “Study for a proposed
Phase I Energy Recovery Linac Synchrotron Light Source
収支がもっともバランスしにくい #1 空洞でも、カップat Cornell University, CHESS Technical Memo 02-003,
ラーパワーを 10kW 以下とできることがわかった。もちJLAB-ACT-01-04 (2001).
ろん、fast tuner による過渡制御を行なえばカップラー
羽島良一
他, “原研 FEL におけるエネルギー回収の実証[5]
パワーはさらに小さくできる。

3.2

縦方向ビームダイナミクスと RF 収支

9cell 空洞は、エネルギー回収が完全に行なえるので、カップラーパワーは microphonics などの外乱に対するRF 制御の裕度で決まる。Cornell/Phase-I では 8kW としているが、われわれの設計でも同じレベルにできる。と 10kW upgrade 計画”, 本論文集.
[6] B.E.Carlsten et al., IEEE QE-27 (1991) 2580–2597;
R.Hajima et al., Proc. EPAC-2000, pp.1033-1035.