SACLA加速器における	  電子バンチ振り分けシステムの開発	

原 徹、武部 英樹、稲垣 隆宏、大竹 雄次、田中 均	  RIKEN	  SPring-­‐8	  Center	  深見 健司、近藤 力	  JASRI	SACLA電子バンチ振り分け運転	
• XFELはシングルユーザー施設であるが、複数BL運転は、実験装置入れ替え時間などのデッドタイムをなくし、電子バンチ振り分けによるBLの同時運用で利用効率向上が可能。	  
• 但し複数BL運転では、各利用実験で異なる波長のレーザーを使うことが予想されるため、電子バンチエネルギーの制御が不可欠。	  
• 将来のSPring-­‐8アップグレード計画において、SACLAを低エミッタンス入射器として用いる場合にも、電子バンチ振り分け技術の確立は必須。	  Near	  future	  plans	  of	  SACLA	
0.5 MeV
Aperture
Gun476MHz

CB-correction

Beam dump

Energy slit

7.45°

238MHzChopper

Z=0 m

Injector

C-band(3m×8)

BC1(1.8m×24)

BC3BC2(R56~-41mm)(R56~-7.5mm)(R56~-37mm)

Summer	  2014	  Z~120 m
BL1 (the	  same	  undulator	  as	  BL3)	
Z~50 mZ~13 mSCSS

SwitchingmagnetUndulators(4.5m×2) λu=15 mm

BL28 GeV
3°

BL3

Undulators(5m×15) λu=15 mm
0.36°

Deflector Main C-band(1.8m×104)
cavity(1.8m×2)

1.41°

S-band2015〜	
Modified YAG screen
to avoid COTR

Q-mag for dispersion
correction

3.13°

L-APS(2m×2)

LB-correction

1.4 GeV

400 MeV

35 MeV

ID01-08

ChicaneID09-19Undulators(5m×19) λu=18 mm

Jan.	  2015	

Beam dump
SR from
SPring-8

To users

Beam dump

Combination of
XFEL and SRXSBTZ~390 mExperimental hall

To SPring-82020?	

Z~615 m電子バンチ振り分けシステム	• 線型加速器終端にあるDC偏向電磁石を用いてビーム軌道を±3°偏向させることにより、現在はBLを切り替えている。	  
• 2015年1月より、DC偏向電磁石をキッカー＋DCツインセプタム電磁石に置き換え、最大60	  Hzの電子バンチを各BLへ振り分ける。	
To	  BL1,	  2	To	  BL1,	  2	END	  of	  linac	

52	  mrad	  (3°)	
To	  BL3	

DC	  bend	To	  BL4,	  5	  and	  SPring-­‐8	Kicker	  (10	  mrad)	

To	  BL3	DC	  twin	  septum	  (42	  mrad)	To	  BL4,	  5	  and	  SPring-­‐8	電子ビーム軌道安定性	
Kicker(±9.26 mrad)±50mm orbit separation

DC twin-septum(±43.1 mrad)

Linac4005200

2000

BL1,2BL3
BL4,5SP-8

Stability	  of	  power	  supplies	  （p-­‐p）	  • Kicker	  magnet	   	  3×10-­‐5	  （target	  1×10-­‐5）	  =	  0.3	  μrad（0.1	  μrad）	  • DC	  septum	  	   	   	   	  1×10-­‐5	  =	  0.4	  μrad	  （design）	  • DC	  bend	  of	  BL2	   	   	  3×10-­‐6	  =	  0.15	  μrad	  （achieved）	  	   	  	Orbit	  stability 	  1	  μrad	  @BL3	  -­‐>	  1.13	  μrad	  (p-­‐p)	  @BL2	  キッカー電磁石および電源の開発	
• キッカー電磁石および電源は製作済み	  	0.35	  mm	  silicon	  steel	  H.	  Takebe	  et	  al.,	  SUOL01	

PWM	  (Pulse	  Width	  Modulaaon)	  type,	  320	  A-­‐150	  V,	  60	  Hz	  trapezoidal	  waveform,	  FET	  8-­‐unit	  in	  parallel,	  	  made	  by	  Nichicon	  Kusatsu.	  台形波駆動による任意振り分け	!"#$%200&'0&'(200&'0&) 60pps

ch1:*+,-.

500mV/diElectron	  beam	  aming	  at	  60	  Hz	16.7	  ms	BL2	

ch2:NMR *+BL2	200	  A	Kicker	  current	  ) p) agern	  2V/div
measured	  by	  ch3:/0123DCCT.	
)

BL3	

BL3	

BL3	2V/div

DistribuDon	  paEern	  ch4:DCCT -.
to	  BL2,	  BL3	  and	  BL4	  	) ) 120A/div

4500	  G	

BL4	Kicker	  ﬁeld	  m45%10ms/dieasured	  	  by	  a	  hall	  probe.	

H.	  Takebe	  et	  al.,	  SUOL01	

ゲート型ＮＭＲを用いたパルス磁場測定	
• A	  gated	  NMR	  for	  the	  measurements	  of	  pulsed	  ﬁelds.	  
• Resonant	  frequency	  is	  scanned	  within	  0.6	  ms.	  
• Gate	  aming	  can	  be	  synchronized	  to	  an	  external	  trigger.	  
• Readout	  every	  0.5	  sec.	  
• Accuracy	  2×10-­‐6.	
Gate	  opens	  for	  0.6	  ms	Pulse	  ﬁeld	Developed	  by	  Echo	  Denshi.	

キッカー電磁石の磁場安定性	
200.2 A

Magnetic ﬁeld (G)4514

200.1A

4512

200.1A

200.0 A4510

200.0 A

200.0 A

4508

199.9 A

4506

05

1015

20

Measurement number

25

2.0Deviation

磁場安定性は	  ±15	  ppm以内	

• Kicker	  was	  operated	  at	  15	  pps.	  
• Each	  data	  point	  represents	  the	  average	  of	  7.5	  shots.	

200.0 A

1.0
0.0
-1.0

-2.0x10-5024630

810

Measurement number

1214

DCツインセプタム電磁石	
20550

Magnetic shields

115

DCセプタム2台のセプタム側を対向させて配置。	
BL4, 5, SP-8

BL1, 2BL3From	  kicker	  ±50	  mm	  orbit	  	  separaaon	

BL1,	  2	  BL3	  BL4,	  5	  &	  SP-­‐8	  • 930	  A-­‐10	  turns	  for	  one	  septum	  with	  the	  maximum	  ﬁeld	  7400	  G.	  
• Expected	  leakage	  ﬁelds	  are	  about	  0.2	  G	  and	  3	  G	  with	  and	  without	  magneac	  shield	  plates,	  when	  one	  septum	  is	  on.	  They	  can	  be	  further	  reduced	  with	  both	  septums	  on.	  
• DC	  twin-­‐septum	  is	  currently	  under	  fabricaaon.	  BL2ドッグレッグ部	
Kicker400
DC septum 5200

2台の逆ベンドを入れ、ドッグレッグ部のR56で電子バンチ長の変化を抑える。	  

To BL3 IDs

From linac

Inverse bend
3.7 mradSteering

Q-mag

ScreenBPM
84 mm offset

DC bend

To BL2 IDs
8529

1746 1590 4305

4185

4185

0t6uo
Abm

Inverse	  bends	

1.0350Beta̲xR56 bend

1610 mm offset

300

Beta̲yDispersion̲x

Septum0.5250BL2 DC bend

Beta (m)200
0.0R56	  of	  dogleg:	  DC	  switching	  magnet	  1.6	  mm,	  kicker	  +	  septum	  without	  correcaon	  4.0	  mm,	  kicker	  +	  septum	  with	  correcaon	  0.07±0.4	  mm.		

150

100-0.5

C-bandUndulators

500-1.0
350

400

450

z (m)

500

550

600

Dispersion (m)Kicker複数ビームラインの同時運転（BL2+BL3）	
• 利用実験で使用するレーザー波長がビームライン間で異なる場合、アンジュレータの波長調整範囲には制限があるため、電子バンチ毎にビームエネルギーを最適化する必要。	
アンジュレータ

低エネルギー利用実験

エネル

ギ

ー

ビーム

レーザー光

低高エネルギービーム

電子銃

線形加速器

線形加速器

レーザー光

アンジュレータ高エネルギー利用実験

従来の施設デザイン（SwissFEL、PAL	  XFELなど）	

線型加速器におけるマルチビームエネルギー運転	• 線型加速器のいくつかのRFユニットをビーム繰り返しと異なる周波数で動作させることにより、電子バンチ毎にエネルギーを制御。	  	  • キッカー電磁石のバンチ振り分けと組み合わせ、最適なエネルギーを持つ電子バンチを各BLへ供給。	  SACLA	  BL3を用いたマルチビームエネルギー運転	
ビームエネルギーはBL3アンジュレータ上流のシケインで測定。	

• Bunch	  repeaaon	  10	  Hz.	  
• 8	  C-­‐band	  RF	  units	  (16	  accelerator	  structures)	  are	  operated	  at	  5	  Hz.	

SACLA	  BL3を用いたマルチビームエネルギー運転	

7.3	  GeV	7.8	  GeV	7.3	  GeV	

Bunch	  repeaaon 	  C-­‐band	  4	  RF	  units 	  	  10	  Hz	  	  5	  Hz	

Bunch	  repeaaon 	  C-­‐band	  2	  RF	  units 	  C-­‐band	  2	  RF	  units 	  	  10	  Hz	  	  5	  Hz	  	  1	  Hz	

7.55	  GeV	7.8	  GeV	SPring-­‐8-­‐IIへのビーム入射に向けて	

• 電子ビームエネルギー6	  GeV、電荷量100	  pC程度。	  
• トップアップ時の入射器運転コストの削減し、高効率入射を達成する。
• SACLAからXBSTを通し、シンクロ出口までのビーム試験は終了。	  
• CSRによりエミッタンス悪化を防ぐため、ピーク電流の制御が課題。	  
SACLA	  linac	Beam	  injecaon	  from	  SACLA	SSBTBeam	  injecaon	  from	  Linac	  +	  Synchrotron		まとめ	• 2本目のXFELビームラインBL2を、2014年夏期停止期間に設置、秋よりDC偏向電磁石を用いてcommissioning。	  
• 2015年1月より、キッカーとDCツインセプタムを用いた電子バンチ振り分けおよびビームエネルギー制御の試験を開始。 	  • SPring-­‐8-­‐IIへのビーム入射に向けての課題	  -­‐	  RFユニットのオンオフのみならず位相をバンチ毎に変え、ピーク電流を制御する技術の確立。	  
-­‐	  任意のタイミングで行う必要。	  
-­‐	  常時入射には、信頼性や再現性の向上が不可欠。