コンパクトERLのコミッショニング
Beam Commissioning of Compact ERL
第11回 日本加速器学会年会
2014年8月9日（土）リンクステーションホール青森
高エネルギー加速器研究機構
コンパクトERL建設・コミッショニングチーム
島田 美帆 (代表）

コンパクトERL建設・コミッショニングチーム
高エネルギー加速器研究機構、KEK足立 伸一，阿達 正浩，赤木 智哉，明本 光生，荒川 大，浅岡 聖二，江並 和宏，遠藤 有聲，
福田 茂樹，古屋 貴章，芳賀 開一，原 和文，原田 健太郎，本田 融，本田 洋介，本間 博幸，
本間 輝也，細山 謙二，穂積 憲一，石井 篤，金 秀光，加古 永治，神谷 幸秀，片桐 広明，
河田 洋，小林 幸則，小島 裕二，近藤 良也，Konstantinova Olga，小菅 淳，久米 達哉，
松本 利広，松村 宏，松下 英樹，道園 真一郎，三浦 孝子，宮島 司，宮内 洋司，長橋 進也，
仲井 浩孝，中島 啓光，中村 典雄，中西 功太，中尾 克己，濁川 和幸，野上 隆史，野口 修
一，野澤 俊介，帯名 崇，尾崎 俊幸，Qiu Feng，下ヶ橋 秀典，阪井 寛志，坂中 章悟，佐々木慎一，佐藤 康太郎，佐藤 昌史，設楽 哲夫，篠江 憲治，島田 美帆, 塩屋 達郎，宍戸 寿郎，
多田野 幹人，田原 俊央，高橋 毅，高井 良太，高木 宏之，竹中 たてる，谷本 育律，飛山 真理，土屋 公央，内山 隆司，上田 明，梅森 健成，浦川 順治，渡邊 謙，山本 将博，山本 康史，
矢野 喜治，吉田 光宏
総合研究大学院大学
Enrico Cenni
日本原子力研究開発機構、JAEA
羽島 良一，松葉 俊哉，森 道昭， 永井 良治，西森 信行，沢村 勝，静間 俊行
広島大学栗木 雅夫，清宮 裕史
Kyungpook National University
Ji-Gwang Hwang

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Energy Recovery Linac, ERL計画

6-7 GeV

3GeV ERL(1st stage)

Double Acc.

XFEL-O 2nd stage

ERL計画
・回折限界X線光源
・極短パルスX線光源
・共振型X線自由電子レーザー(XFELO)
・Echo-enabled Harmonic Generation (EEHG)

ERLの試験機としてのCompact ERL・エネルギー回収の実証
・低エミッタンス化・短バンチに向けたビームダイナミクス
・CW超伝導加速空洞・高輝度DC電子銃の開発
・大電流とビームロス3/32

コンパクトERL
ERL開発棟
PF-AR
PF

4/32

コンパクトERLの利用案

1. レーザー逆コンプトン散乱
2. CSRテラヘルツの利用

2.176 MeV for U-238
E∆E/E < 1%

detector

∆E
0.0

1.0

targetNRF signal
U-238
2.176 MeV

γ-ray beam

2.0

Photon Energy (MeV)

R. Hajima et al., J. Nucl. Sci. Tech.
45, 441-451 (2008)

Photon energy (MeV)

5/32

周回部建設とコミッショニングスケジュール

中村 典雄ら 、SUP014“コンパクトERLの進捗状況”

2013年
4月

5月

6月

7月

8月

2014年
9月

10
月

11
月

12
月

1月

2月

3月

4月

5月

6月

7月

入射部ビームコミッショニング
アンカー打ち、電磁石設置、アラインメント
真空チャンバー接続、モニター設置
超伝導空洞ハイパワーテスト

周回部ビームコミッショニング
第10回加速器学会(2013.12)周回部ビームコミッショニング開始(2014.2.6) 減速ビーム確認(2014.3.14) ビームローディングによるエネルギー回収の確認

5/32

電磁石の設置

中村典雄： 2013年9月18日 PF研究会の資料より
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久米 達哉ら 、SUP131“cERL周回部のアライメント”

周回部電磁石設置とアライメント

1.壁面上基準点の精密測量

2. 床面上基準点と基準線の罫書き4. 電磁石半割後のビームパイプ設置

3. ティルティングレベル(N3), トータルステーション(NET05X),
レーザトラッカ(T3)を用いた電磁石精密設置•工期・工程の制約により、ビームパイプ設置前に電磁石を精密設置した•±0.1 mm程度に調整したずれ量が一部の範囲
で、±0.5 mm程度となったが、性能上の問題は見られない

5. 最終測量

Main
linac

0.5

Straight section

0

95,00090,00085,00075,00070,00065,00060,00055,00050,000

2nd arc
45,00030,00025,00020,00015,00010,0005,000

040,000

1st arc

80,000Junction (Origin)-1

35,000-0.5-5,000

設計値との差(mm)◆：dx(ビーム進行直交方向水平面内のずれ)、▲:dy(ビーム進行直交方向鉛直面内のずれ), ●:dz(ビーム進行方向ずれ)
1

合流点を原点として反時計回りにとった周回ビームライン上位置(mm),マイナスは入射ビームライン上位置

久米達哉：資料提供

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真空ダクト・Faraday Cup・ダンプの設置
ダクトの設置主ダンプ

チャンバー間“ゼロギャプ”フランジ
Impedanceを減らす。

beam

beam

超電導加速空洞近くの真空作業

40kW対応（φ40mmの電子ビームの場合）

可動Faraday Cup

NEGコーティングのチャンバーを設置
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主なモニター2013年12月-2014年6月のビームコミッショニングで主に使用したもの

Screen Monitor

Gapless Flanges(φ114)BeamBPM
・主にストリップライン型を採用
・全体で45台設置(ボタン電極も含む）

・ 全体で30台設置
・ 2種類のスクリーン
Ce:Yag
アルミ（OTR用）

RF Shield(ID: 50 mm)
DoubleScreen Holder

構成：可変減衰器・1.3GHz BPF・ログ検波

Faraday Cup
ダンプFC

Fiber Loss Monitor
電子銃FC

診断ラインFC

可動FC

・ 4台のFaraday cup
・ 周回ビーム測定の可動FCは遮蔽強化

信号の遅延時間から、発光点の位置を推定。
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コンパクトERLの主要パラメータ

NominalOperation in Jan-Jun. 2014

周回エネルギー, Ec

35 MeV

20 MeV（主加速空洞のfield emissionの軽減のため）

入射エネルギー, Ein

5 MeV

2.9 MeV（周回ビームと入射ビームの運動量比で制限）

平均電流値(max)

10 mA

10 µA （放射線申請の上限）

規格化エミッタンス

0.1 mm-mrad

0.3 mm-mrad (at a few 10 fC)

バンチ長

1-3 ps

1-3 ps11/32

低エネルギービームに対する環境磁場の影響

チャンバーから20cmに設置しているCCG (a)CCG取り外し前(b)と後（ｃ）のプロファイル

・偏向電磁石の漏れ磁場
周回部側シケインのBMAG05の調整中に入射ビームが蹴られ、軌道調整に影響。
1月のシャットダウン中に磁気シールドを設置。（入射・合流部、ダンプシケイン）

磁気シールド・CCGの磁石
ビームに非線形な効果と数10mradのキックを与えていることが判明。
入射シケインから主空洞までの4つのCCGを取り除く。
さらに、入射合流部のopticsを調整。
主空洞のCCGは遮蔽しているが、いまだに影響が残る。
ＣＣＧの遮蔽シールドを作製、効果があることを確認。

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エネルギーおよびエネルギー広がりの測定
Cam14 (20 MeV)

Cam31 (2.9 MeV)

BMIF01

Cam8
Cam8 (2.9 MeV)

BMAD01

BMAG01

Cam30

入射・周回部エネルギー調整
・ スクリーン(cam8,14)で加速位相の調整。
・ 偏向電磁石の磁場測定の結果から、励磁電流を計算
・ cam8,14の中心を通るように加速振幅調整
エネルギーのクロスチェック
・ 入射部コミッショニングの手法（ステアリング使用）とクロスチェック
・ cam30で周回ビームの位置確認
・ cam31で入射ビーム（主空洞デチューン状態）の位置確認

Cam30 (20 MeV)

入射・周回ビーム運動量比
ビーム位置 2:13、設計 1:7
おおむね一致2014.2.6 19:36:50

エネルギー広がり
入射ビーム(cam8)< 7e-4

周回ビーム(cam14)< 4e-4

ダンプビーム(cam31)< 2e-3

スクリーン上で水平方向のビームサイズを最小化
エネルギー広がりは十分に小さいことを確認

エネルギー広がり測定例

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ダンプラインと主ダンプの信号 （2014.2.6）
・主ダンプのFCでビームを観測
・電子銃直後のFCの応答と比較し、大きなビームロスなく輸送できたことを確認
・ダンプシケインの励磁電流から、ダンプエネルギーが入射エネルギーに近いことを確認。

主ダンプのFaraday cupの応答

ダンプシケイン直後のスクリーン画像14/32

減速ビーム初観測 （2014.2.6）
Parameters Gun voltage: 390 kV
Buncher: OFF Injector cavities: Eacc = (3.3, 3.3, 3.1) MV/m
 Main-Linac cavities: Vc = (8.57, 8.57) MV
MS31 (dump line)
Beam profiles on screen monitors.
MS11
MS3

Beam energy (E) Injector: 2.9 MeV
 Recirculating loop: 19.9 MeV
Dump FC
beam current

Beam pulses (macropulse) peak current:~24 µA macropulse width:
1.2 µs repetition of bunches: 1.3 GHz repetition frequency:
5 Hz average beam current: ~ 140 pA
MS1

Gun FC (faraday cup)
beam current

MS14

Dump line

Main linac
Injector

The 1st arc

The 2nd arc

MS29

beam current

MS15

MS17

MS19

Movable FC

MS26

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MS27

軌道調整
軌道調整時のビームパラメータ
バンチ電荷量10 – 100 fC

マクロパルス長

1 us

運転周波数

1.3 GHzマクロパルス繰り返し~ 5 Hz

平均電流値

数100 pA

BPMによる加速・減速2ビームの測定・ 入射部～ダンプライン（減速ビームを除く）
スクリーンのQ-scanによる軌道調整
・ 減速ビーム
BPMによる軌道調整（右図）

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周長補正によるダンプエネルギーの調整
ダンプエネルギー・エネルギー広がりが最小となるように周長を調整
10uA以下の低い電流では空洞のビームローディングでの測定が困難。

エネルギーが最小となる軌道

2つの周長補正方法・赤線は基準軌道(a)周長補正シケインによる補正
南側直線部に配置、±5mm(b)アークの頂点による補正
第2アークのみで±10mm程度

縦軸：cam31の水平方向のビーム位置
横軸：バンプの高さから推定される軌道長変化量（ステアリング励磁電流の推定値とほぼ一致。）

cam31

ダンプシケイン付近の配置図

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四極電磁石の応答測定：
ステアリングを振ってもスクリーンの位置が変わらないQUADの強さを探す。

スクリーン上のビーム位置

四極電磁石応答測定

QUADの励磁電流

測定回数

水平方向 [A]垂直方向 [A]

磁場測定からの推定値

0.462-0.462

1回目

0.5 ±0.05 （+8%）-0.48±0.02 （+4%）

2回目（逆順）0.425±0.05（-8%）-0.5±0.02 （+8%）

3回目

0.48±0.02 （+4%）

ビーム測定の誤差：10%程度
誤差の範囲内で一致している。

測定日：2014.6.10、測定ヵ所：北側直線部
スクリーンcam12、四極電磁石QMAC02
ステアリング、ZH(V)QMAC01
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Single Kickの応答測定

ステアリングキックによる応答の一例（赤：水平方向、青：垂直方向）
・ ZH(V)QMAC03およびZH(V)QMIM04のキックによる応答
・ 測定値：BPMの応答、測定誤差±0.2mm
・ 実線：磁場測定結果と励磁電流から推定されるビーム位置
およそ20m先までは一致している。

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分散関数のマッチング
D-F-D triplet

全体の分散関数アークの条件・ アクロマート： アークの出口でηx=0 m, η’x=0
・ アイソクロナス：アークの中心でηx=0.24m, η’x=0
マッチング
・ トリプレットを調整して、測定値をデザイン値に合わせる。
左図
・ 黒実線：デザイン値
・ 黒のクロス：BPMによる測定値
・ 赤のクロス：マッチング後の測定値

水平方向（赤）：マッチング後の分散関数
垂直方向（青）：分散関数がゼロの設計
南側直線部の最大値：第2アークの前で0.17m

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Qスキャンによるエミッタンスの測定

・ バンチ電荷：数10 fC（軌道調整用運転）・ 測定個所：4か所
主空洞前、主空洞後、第1アーク直後、周長補正シケイン後・ ウェストサイズがCCDカメラの分解能を下回らないようなQMとスクリーンの組み合わせを選ぶ。
・ カメラが飽和しないようにゲイン・NDフィルタの調整、BGの差分。

Qスキャン測定例（測定20回）

規格化エミッタンスの測定結果 (εnx /εny), 単位 mm mrad
測定日

主空洞前

主空洞後

第一アーク直後

周長補正シケイン後

3/11-

0.56/0.36

0.52 / 0.45

-

3/14

-

0.28/0.41-

0.23 / 0.26

6/13

0.15/0.14

0.14 / 0.12

0.14 / 0.14

0.13 / 0.15

オプティクス調整が進むにつれ、結果が改善。
規格化エミッタンス：およそ0.14 mm-mrad （数10 fC）

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レーザーCompton散乱のためのオプティクス調整

Q-scanの結果
ビームサイズ推定値
10.9 um (H)
8.2 um (V)

cam23

cam22

cam24

28mm

・ QMLC04のQ-scanで衝突点でビームサイズが最小となる
Opticsを探す。
・ QMLC03と04でOptics調整・ cam23のビームサイズは分解能以下

37mm

Rmsビームサイズ

レーザーCompton散乱

QMLC04

衝突点のβ関数（デザイン値）
0.01 m (H)0.038 m (V)

水平垂直

実測値・QMLC04のK値
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エネルギー回収の確認

加速電圧Vc=8.57MV
ビーム電流I (約6.5uA)

Pref

Pin

Pin:入力パワー
Pref:反射パワー

入力パワーと反射パワーの差：Pin-Pref・エネルギー回収試験
エネルギーのやりとりができている場合、
Pin-Prefはビーム電流によらず一定。

・ビームローディング試験
加速・減速のみの場合、エネルギー収支がゼロでない。
ビーム電流によって入力・反射パワーに変化がある。

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6 uA CW運転時の放射線量
1.5

2.8

76

単位： mSv/h
0.033

29

0.25

0.012

Org1
Org2
N2

N3

N1

N4
N6

N5

Org3

N12

N9
N7

N11

Org6

N8
N10

Org4

Org5

0.31

3.7

0.62

0.002

0.008

MAR-782( Hitach Aloka Medical, Ltd

3/14測定時：周回部T=19.4 MeV, 入射部T=2.4 MeV
運動エネルギー：
入射器空洞： Eacc(Pt) = (3.24, 3.29, 3.12) MV/m 主空洞： Vc = (8.58, 8.59) MV
バンチャー：Vc= 30 kV

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コリメータと光ファイバロスモニタ

挿入方向

cam10

ファイバロスモニタの信号

コリメータCOL#1, #2挿入前

コリメータCOL#1, #2挿入後

第１アーク
LossMon#1&#2
第２アーク
LossMon#3&#4

スクリーンモニタ
Cam10の画像
コリメータ５カ所：ハロー調整用には入射部の２個が有効
Fiber Loss Monitor は全周をカバー

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高速ロスモニタ：Pure CsI シンチレータ
・PMT:浜松ホトニクス社製、サイドオン型
・シンチレータ：Pure CsI (25x10x10 mm)

下ヶ橋ら 、SUP083“cERL高速ロスモニタ用検出系のテスト”

第１アーク中央（cam15付近）

PMT信号
200mV/div
500ns/div

200mV/div
500ns/div

Interlock用
積分出力

オプティクスマッチング前： ビームロスあり（コアは通過、スソを落としている状態）

オプティクスマッチング後： ビームロスなし
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宮島 司ら 、SＡＰ023“7.7pC/bunch電子ビームのcompact ERL周回部輸送”

高バンチ電荷ビームの周回部輸送

輸送試験：入射部調整も含め、5日間
目的 ：空間電荷効果が支配的な高バンチ電荷(7.7 pC/bunch)の輸送試験
ゴール：周回部でのビーム品質の確認、主ダンプまでのビーム輸送

・ 周回部輸送調整： 9割が周回部FCに到達。オプティクスマッチングが重要。
・ ビーム品質測定結果： 入射器 2.9 MeV, 周回部 19.9 MeV
規格化エミッタンス（設計 0.6 mm mrad）： 2.9 mm mrad（診断ライン）
2.9 mm mrad（周回部第一アーク手前）、 5.8 mm mrad（周回部南直線部）
バンチ長（設計 4 ps）： 5.5 ps （診断ライン）
規格化エミッタンスの測定結果 (εnx /εny), 単位 mm mrad
運転モード

入射器診断部

主空洞前

主空洞後

第一アーク後第二アーク前20 fC (6/13)-

0.15 / 0.14

0.14 / 0.12

0.14 / 0.14

0.13 / 0.15

7.7 pC (6/19)

-

-

-

42 / 14.7-

7.7 pC (6/20)

2.5 / 2.9-

2.9 / 2.4

5.8 / 4.6-

周回部Faraday cup に90 %のビームが到達

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電子銃運転状況
電子銃電圧、真空GaAs光陰極量子効率（周回部コミッショニング時）
20

10 500

FC電流
レーザー

2
2013年 2014年
12月 1月
2月

3月

4月

5月

6月

7月

運転時真空度8x10-10Pa
電圧(kV)

5

セラミック管電圧390kV

400

ビーム電流(μA)

量子効率(%) λ=530nm

108

真空度（×10-9 Pa）

量子効率をFCで計測
コミッショニングは通常0.1nA
CW運転試験時に5μA

活性化

2

100

0

0

3μA運転 30分

0

2

4

6
時間

8

10

・6か月交換なしで、2%以上の量子効率・390 kV運転（延べ500時間以上）
・運転時極高真空の達成
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三浦孝子、2014年加速器研究施設交流会資料より

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梅森 健成ら 、SＡＰ047“Compact ERLにおける主加速部超伝導加速空洞の運転状況”

主超伝導加速空洞・長期運転
放射線量の増大長期運転中のradaition増大による空洞劣化を見るため２つのモニター(radiation monitor (Si検出器、ALOKA))をradiationの出る
空洞の軸方向に常時設置。
2月初めの20MeV運転を始めてから３週間のradiationの様子
３週間後に突然下流にradaitionが増える現象が見られる。

#3 cavity（lower）ML2#4 cavity（upper） ML1

No5
Radiation
monitore-

パルスエージング
空洞電圧測定波形(digital)(Vc)

一瞬空洞内に高いfieldができる

100ms
Vc

Base:8.57MV

Duty 10Hz 4ms [peak:11MV] (pulse)

1week
Radiation (mSv/h)

No6
Radiation
monitor

放射線増大・パルスエージングの実施
8.5 MV + 2.5 MV (pulse), 10 Hz 4ms
・およそ1時間のエージング
・両方のcavityで効果あり
放射線量がおよそ半分程度に減少
上流radiation(No.5) 38.7mSv/h (2/25 21:00)
 20.48mSv/h (2/26 21:47)
下流radaition(No.6) 133mSv/h (2/25 21:00)
 77.9mSv/h (2/26 21:47)

まとめ・ コンパクトERLの建設
・ 5か月の短期間において、ダンプラインを含めた周回部の建設が完了

・ 周回部ビーム調整
・ 低エネルギービームに対する環境磁場対策
・ BPMによる2ビームの測定が機能した。
・ ダンプエネルギーの最小化による周長補正
・ 電磁石の応答測定、Single Kickの測定、分散関数の調整
・ 主加速空洞のビームローディングによるエネルギー回収の確認
・ コリメータによるビームロスの軽減
・ 電子銃、超伝導加速空洞など、長期運転

・ 今後の方針・ 空間電荷効果の支配する電荷量におけるビーム調整・ レーザー逆コンプトン散乱によるX線生成の実施
・ 100uA-1mAのCW運転の実現
・ テラヘルツビームラインの実現
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加速器学会 発表(一部）

中村 典雄ら“コンパクトERLの進捗状況” SUP014
久米 達哉ら“cERL周回部電磁石のアライメント” SUP131
田中 織雅ら“コンパクトERLにおけるビームロスの研究” SAP018
中西 功太ら“EPICSを用いたヘリウム冷凍機システムの開発” SUP086
山本 将博ら“500kV DC電子銃2号機の高電圧印加試験” SAP036
永井 良治ら“コンパクトERLでのレーザーコンプトン散乱光源実証用装置の建設” SUP109
永井 良治ら“レーザーコンプトン散乱光源用ビームラインモニタの開発” SAP113
永井 良治ら“光陰極直流電子銃無塵化技術の開発”SUP027
宮島 司ら“7.7pC/bunch電子ビームのcompact ERLの周回部輸送” SAP023
濁川 和幸ら“cERLのpersonal protect system”SUP090
下ヶ橋 秀典ら“cERL高速ロスモニタ用検出系のテスト” SUP083
帯名 崇ら“EPICS内臓小型デバイスサーバの開発” MOOL08
金 秀光ら“ERL電子銃のための光陰極準備系の開発” SAP032
西森 信行ら“大電流電子源のための光陰極準備システムの開発” SUP031
梅森 健成ら“Compact ERLにおける主加速部超伝導加速空洞の運転状況” SAP047
芳賀 開一ら“cERL加速器室の設計と建設” SUP128
芳賀 開一ら“cERLの放射線安全対策” SUP127
原田 健太郎ら“cERL, DR用電磁石の磁場測定” SUP062
原田 健太郎ら“cERLの電源システム” SUP066
竹中 たてるら“CERLおよびSTFにおける導波管コンポーネントの諸特性” SAP057
本田 洋介ら“ERL試験加速器における周回部バンチ長計測の検討状況” SAP089
本田 洋介ら“収差保証を導入したレーザーコンプトン散乱用光学共振器の設計” SAP116
花香 宣彦ら“cERLにおける大電力分配系の構築” SUP057
赤城 智哉ら“cERLでのレーザーコンプトン散乱用光共振器の開発” SUP110
宮島 司ら“荷電粒子ビームの静的な空間位相分布に対するマクロ粒子数の検討” SAP026

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