Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-FSP014

放射光施設 SAGA-LS 光源加速器の状況
STATUS OF SAGA-LS ACCELERATOR
江田茂#, A), 岩崎能尊A), 高林雄一A)，金安達夫A)
Shigeru Koda #, A), Yoshitaka IwasakiA), Yuichi TakabayashiA), Tatsuo Kaneyasu A)
A)
SAGA-LS

Abstract
The accelerator of a synchrotron radiation facility SAGA-LS consists of a 1.4 GeV electron storage ring and 255
MeV injector linac. As a synchrotron radiation source, five bending magnets and three insertion devices are operated atpresent. The user time in the 2013 fiscal year was about 1600 hours. The beam abort rate due to the accelerator troubles
in the year is about 0.08, and has increased in recent years. The major trouble in the fiscal year was water leakage of thelinac RF window. In addition, the beam losses occurred due to RF reflection interlock of the storage ring. The aspect of
the accelerator trouble for these eight years from the facility opening is considered to follow transition near the fault
curve, which is well known as a bathtub curve.
なっているが、蓄積リングと BL10 の向こう側（北1. はじめに側）に佐賀県ビームライン BL7(硬 X 線)、BL9（白色）及び九州大学ビームライン
BL6（硬 X）が設置
SAGA-LS光源加速器は、2006 年 2 月に正式にされている。加速器は1.4GeV
電子蓄積リングとユーザー運転を開始して以来、約 8 年が経過した。
255MeVの繰り返し
1Hzの入射用リニアックから成この間、加速器は光源能力の向上を進め、また施設では平行して実験ホール拡張、ビームライン増設等 り、低エネルギー入射方式を採用している。蓄積リ
放射光利用環境の整備が進められてきた。運転条件 ングはダブルベンド型セルで直線部に分散を持つ 8のサーベイ、改善を進め、ユーザー運転時の光源要 回対称ラティスで周長 75.6m である。
現在、放射光光源としては、偏向電磁石 5 台と挿因トラブルは開所時から年々減少し、運転実施時間-3入光源3 台が運用中である。各光源を利用するビーに対するビームアボート率は、2009 年度には 10 台
ムライン内わけをTable 1 に示す。偏向電磁石光源となった。しかしその後、重要機器の経年変化や劣は臨界エネルギー1.9keVで、数十 eV から 20keV 程化に起因する重故障が発生するようになり、ビーム度をカバーする施設の基本光源である。挿入光源は、アボートが増大傾向にある。
この 8 年間のマシントラブルはいわゆるバスタブ 数十 eV から 1keV 程度の領域の高輝度光源として曲線といわれる故障曲線に近い推移をたどっており、 APPLE-Ⅱアンジュレータ[1,2]1 台、プラナーアン
近年トラブル要因について質的変化が見られる。今 ジュレータ 1 台(佐賀大)を運用し、加えてウェーブ回の施設報告では加速器の現状に加え、開所以来現 レングスシフターとして臨界エネルギー5.2keV のハイブリッド型の 4T 超伝導 3 極ウィグラー[3,4]１台在までの加速器トラブルの推移について報告する。
を運用している。
開所時、蓄積電流 100mA、偏向電磁石光源のみ
2. 光源概要
で運用をスタートし、その後、蓄積電流を段階的に加 速 器 が 設 置 さ れ て い る 実 験 ホ ー ル の 現 状 を 300mA へ引き上げた。またアンジュレータ設置にFigure 1 に示す。画像は実験ホール南東角 2 階 より軟 X 線領域では最大輝度は偏向電磁石光源にキャットウォークから撮影したもので、視野外と 比べ 3 桁程度向上し、超伝導ウィグラーの設置より、255MeV LINIAC

BL15 HARD X
SAGA PREF.
BENDING MAGNET

1.4GeV STORAGE RING

BL11 HARD X
SAGA PREF.
BL12 SOFT X BENDINGSAGA PREF. MAGNETBENDINGMAGNET

BL13 SOFT XSAGA UNIV.
PLANAR UNDULATOR___________________________________________#Figure 1: Present status of the experimental hall of SAGA-LS.

koda@saga-ls.jp- 360 -BL10 SOFT XSAGA PREF.
APPLE-Ⅱ
UNDULATOR

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3.2 加速器トラブル

Table 1: Beam Lines of SAGA-LS

2013 年度、ユーザー運転のビームアボート要因となった光源加速器トラブルは 15 件であった。光源要因のビームアボート時間総計は 128 時間で、全ユーザー運転時間に対するアボート率は 8.0%であった。後述するようにユーザー運転中のマシントラブルは近年増加傾向にある。アボート内わけは、リニアック RF 窓真空リーク 3 件(115.5 時間)、施設1)
Hybrid superconduting three pole Wiggler
外要因による瞬低 2 件(2.4 時間)、BPM モジュール
異常１件(1.2 時間)、蓄積リング高周波空洞系 RF 反偏向電磁石光源のエネルギー上限の倍近い硬 X 線 射インターロック発生によるビーム全ロス 9 件(8.9まで利用可能となった。現在、中小規模放射光施設 時間)である。
としては数十 eV から 40keV 近くに及ぶ広いエネル
RF 反射によるビームロスは、2010 年に RF 空洞ギー範囲で、放射光の提供を行っている。またレー 系を現在の運転条件にして以来 3 年程発生しなかっ
ザーコンプトンガンマー線実験 [5,6]の実験環境の たが 2014 年 2 月に発生した後、頻度が数日から半大幅な改善のため、蓄積リング入射直線部下流に 日に 1 回程度にまで増加した。その後、頻度は低下
レーザーコンプトン実験用ビームライン BL1 を整 したが 2014 年 7 月現在でも 2 週間に 1 度程度発生備しており、2014 年 7 月下旬に変更申請が許可さ している。これまでに、ビームロス、空洞電圧低下
れた。
は、空洞反射後に発生し、また空洞進行波パワーの減少が空洞反射パワーの増大より早く（～0.1μs 程
3. 運用の現状度）始まっていることがわかった。要因の特定について現在も調査を進めている。
3.1 運転2013 年度の最も大きなマシントラブルは、リニ
2013 年度のユーザー運転は、一日 1 回入射、初 アック RF 窓のリークで 2013 年度ビームアボート
期蓄積電流 300mA（iτ~1500mAh）、運転時間は 1 時間の大部分を占めた。RF 窓は加速管及びバン
日 10.5 時間(10:30-21:00)で、運転日は火-金の４日/ チャーから垂直に約 1.5m 立ち上がった導波管のエ週の定常的なパターンで運転された。年末年始、盆 ルボー部上流に配置されており、クライストロン導休みを除く 2013 年度の主な計画的運転停止期間は、 波管系との境界となっている。リニアック設置以来
2013 年 4 月のビームライン関係のメンテ、点検を これまで約 9 年間 RF 窓のトラブルはなかったが、主とする短期シャットダウン約 3 週間、同年 10 月 2013 年 6～12 月の半年間に集中的にリークが発生の加速器定期点検を主とするシャットダウン約 6 週 した。7 台(加速管×6、バンチャー×1)ある RF 窓の間が設けられた。2013 年度のユーザー運転時間は うち第 3,第 5,第 6 加速管の 3 台で RF 窓冷却水が真1606.5 時間であった。
空側へ漏水した。また第 1 加速管-バンチャーセク
ユーザー運転における入射蓄積手順は次の通りで ションで真空リークが発生し、同セクションのバンある。255MeV のリニアックビーム(5~10nA)を蓄積 チャー部 RF 窓が原因と推定された。
リングに入射し蓄積した後 1.4GeV に加速し、さら最初に発生した 2013 年 6 月の第 5 加速管 RF 窓に超伝導ウィグラーを 4T に励磁後、ウィグラー磁 の漏水が最も大きなトラブルで、純水冷却水（電気場に対する補正（チューン、クロマティシティ、 伝導度～1μS/cm 弱、流量～4l/min）がクライスト
COD、カップリング）を行った後、ユーザー利用を ロン側真空導波管内に漏水した。原因特定に時間が開始する[4]。
かかり、その間に第 6 加速管にもつながる同じ導波加速器運転は加速器グループ研究員と業務委託の 管系統内の広い範囲に水が拡散した。Figure 2 は調支援員によって行われている（SAGA-LS は常勤技 査のため RF 窓から 7m 程上流にあるダミーロード
術職員がいないスタッフ構成となっている）。グ を取り外した際に確認された導波管内の結露の状況
ループ員全 4 名で 2 シフト制をとり、早番シフト（8:30～17:15）、遅番シフト(13:00～21:45)をそれぞれ 1 名が担当する。日々の加速器立ち上げ作業では、加速器冷却水系とリニアッククライストロン
LV 系立ち上げを事前に支援員１名が行い、その他機器の立ち上げを早番グループ員１名が行う。ビー
ム入射は早番グループ員 1 名と支援員 1 名で行い、立ち下げは遅番グループ員 1 名で行っている。
なお、午後の放射光強度の増強を要望するユー
ザーのために、超伝導ウィグラーの再励磁を伴う 1
日 2 回入射運転を 2014 年 4 月に試験的に行った後、同年 6 月より定常的に毎週火曜に 2 回入射を行ってFigure 2: Status of a water leak in a wave guide ofいる。
5th accelerator tube.
BLSource
Photon Energy
BL06 Bending Magnet
3-23 keV
4.2-37 keV
BL07 SCW1)
BL09A Bending Magnet
White( >3 keV )BL09B Bending Magnet
10-50 eV
BL10 Undulator (APPLE-Ⅱ) 30-1200 eV
BL11 Bending Magnet
3-23 keV
BL12 Bending Magnet
40-1500 eV
BL13 Undulator (planar)
15-600 eV
BL15 Bending Magnet
3-23 keV

MethodXAFS,SAXSXRD,XAFS
LIGAPhoto Excitation
PEEM, ARUPS
XAFS, SAXS
XPS, XAFSARPES
XAFS, XRD
Imaging

Organization
Kyushu Univ.
Saga Pref.
Saga Pref.
Saga Pref.
Saga Pref.
Saga Pref.
Saga Pref.
Saga Univ.
Saga Pref.

- 361 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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PASJ2014-FSP014である。壁面の細かい斑点状のものが水滴である。 では加速管側に発生しており、どちらもエロージョ
またダミーロードより 2m 程下流に設置された 45L ン・コロージョンの同心円模様の上にあった。またのスパッターイオンポンプ本体内にも、その内部容 ピンホールは真空側に比べ、冷却水側で穴径が大き量ほぼいっぱいに水がたまっていることが確認され かった。以上のことから、漏水は導波管内側の要因た。第 5、第 6 加速管の真空導波管系は加速管の ではなく、冷却水によるエロージョン・コロージョ
RF 窓から、クライストロンの RF 窓に至る広い範囲 ンが主たる要因で、これに腐食が加わったと考えられた。加速管の RF 窓は、機械的仕様が同一で、流で液相もしくは気相の水に晒されたと考えられた。
復旧についてはユーザー運転の長期停止を避ける 量、運転頻度等運用条件も同様で、またバンチャーため、導波管系統の全面的な分解洗浄は行わず、ま の RF 窓もこれらに製作仕様、運用条件は近かった。
ず真空排気による乾燥を試み、結果的にはこれで復 そのためエロージョン・コロージョン発生条件がそ旧した。イオンポンプ交換後、疎排気セットによる ろい、同程度の速度で劣化が進行し、短期に集中し真空排気を行い、これと平行して水温約 40 度の導 たと考えている（またこのことからトラブルを発生
波管系冷却水を循環させ、イオンポンプはテープ していない RF 窓でもエロージョン・コロージョン
ヒータで数十度に保った。その結果、イオンポンプ がかなり進行していると考えられた）。
は問題なく立ち上がった。このトラブルの間に第 5、 2013 年 11 月に 3 度目の RF 窓漏水(第 3 加速管)が第 6 加速管系統の導波管内面が何らかの形で液相、 発生した時点で交換予備品がなく、ユーザー運転維気相の水にさらされていた時間は、おおよそ 150 時 持のため応急的対応として冷却水出入口を暫定的に間で、その後の真空立ち上げが 24 時間程度であっ 封じ、真空側の一部とし、RF 窓を冷却しない運転た。その後RFエージングを行い、約 30 時間（～105 を検討した。RF 窓は 50MW、4μsec、50pps で設計ショット）で終了した。エージングの進捗はおおま されており、これに対し SAGA-LS の現状の運転条
かに 2 段階に分けられ、前半は(通常の加速管エー 件は、20MW、2μsec、1pps であったことから、熱ジング時と同様の)インパルス的な加速管内の真空 負荷の余裕はあると考えられた。第 3 加速管の復旧
悪化、後半は時定数の長い導波管の真空悪化が支配 では、RF 窓の冷却水出入口をボルト締めしてエポキシ樹脂で封じ、RF 窓周辺温度を熱電対、赤外線的であった。
RF 窓リークは長期安定運用の後に集中したこと カメラで監視してエージングを行った。繰り返しから偶発的とは言いがたく系統性があると考えられ 1pps 連続 4 時間程度のエージング中、有意な温度上た。RF 窓は円形のセラミック製で冷却水は下部よ 昇は見られなかった。これ以降リークが発生したりセラミック外周部に対し垂直に導入され、円周両 RF 窓には冷却水出入口にボルトと排気用引口を付側に沿って上部の出口から出る構造であった。これ けエポキシ樹脂で封じ、同様の復旧を行った。発熱までにバンチャー、第 1、第 5、第 6 加速管の RF について問題が生じなかったため、2014 年 4 月ま窓の分解調査を行った。このうち漏水した第 5、第 でに漏水を起こしていない RF 窓、既に交換済みの6 加速管の RF 窓は、ともに冷却水導入部の流れが RF 窓を含め、全ての RF 窓の通水を停止、外部冷却大きく変わる部分で明瞭な同心円状のエロージョ 水配管を撤去し、また熱電対による監視系設置した。
ン・コロージョンが確認され(Figure 3 参照)、この その後 2014 年 7 月現在までに RF 窓のトラブルは発生していない。2014 年秋のシャットダウン時に
Just
Under
Entrance
未交換の RF 窓を交換し、リーク対策を終了する予
Pinholeof Cooling Water定である。

4．開所以降の加速器トラブルの推移

同心円構造の中に腐食によるピンホールが確認された（冷却配管の真空側は無酸素銅 0.5mm）。Figure3 の右側画像では、エロージョン・コロージョンの同心円中心の紙面上から冷却水が入り、90 度向きを変え窓の外周に沿って流れる。腐食部では EPMA分析で塩素、硫黄が微量検出された。また漏水は確認されなかったが、第 1 加速管の RF 窓冷却水導入部においても明瞭なエロージョン・コロージョンが確認された。ピンホールは、第 5 加速管 RF 窓では、セラミックに対してクライストロン側、第 6 加速管- 362 -Operation Time (h)Erosion-Corrosion

Figure 3: Status of erosion-corrosion and pinhole ata RF window of 5th accelerator.

Figure 4 に 2006～2013 年度の 8 年間のユーザー運転時間と光源要因ビームアボート率の推移を示す。
SAGA-LSではこの 8 年間に大規模な加速器改造は行っておらず、また前述のように夜間土日祭日の運転を行わず、年間に通算 2，3 ヶ月程度の停止期間を設ける運転を開所以来継続しており、Figure 4 で2000
1000050
2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

Fiscal Year

Figure 4: Accelerator operation time (upper) andbeam abort rate due to the accelerator (lower) over 8years from official opening of SAGA-LS.

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Abort Ratio ( %/month)

100
LINAC
Klystron #2
Cathode Trouble

50

STORAGE RING
RF-Cavity
Circulator
Water Trouble

LINAC
Klystron #1
Cathode Trouble

STORAGE RING
Bending Magnet
Power Supply
TroubleSTORAGE RING
Bending Magnet
Power Supply
TroubleCOOLING WATER
Control System
TroubleSTORAGE RING
RF Cavity
Trouble0
4/1/06

4/1/07

4/1/084/1/09LINAC
RF Window
Leak
Trouble4/2/10COOLING
WATER
Control System
LINAC
Klstron #2 (RF-Cavity)
Modulator Trouble
Trouble4/2/11

4/2/12

4/2/13

4/3/14

Figure 5: Abort ratio of monthly average between fiscal years of 2006 and 2013. Blue square dots are troubles,
which are considered due to aging or degradation.
わかるように、この運用状況では運転時間は概ね 整備等光源能力の向上を進めた。一方で、マシント1500 時間/年程度となる（2008 年度若干低下してい ラブルについては、小規模で偶発的な故障が主となるのは実験ホール拡張工事のため）。この 8 年間、 るビームアボート極小期を経て、経年変化、劣化が加速器のマシンとしての運用状況、構成に大きな変 支配的となる段階に入ったと考えられる。2013 年
化はない。これに対し、光源要因のビームアボート 度は特にリニアックの RF 窓漏水が大きな課題と率は、大まかには開所時 10-2 台から低下してゆき なった。一旦発生すると復旧に時間がかかる加速器
2009,2010 年に 10-3台で底となりその後 10-2台に増加 主要機器の経年変化、劣化によるトラブルへの準備した。と対応が今後より重要な課題である。
Figure 5 にこの 8 年間の月毎の光源要因ビームア謝辞
ボート率とその主要な原因を示す。トラブルの要因
は質的に変化しており、おおよそ 2006～2008 年度、 リニアック RF 窓の漏水トラブルで調査、対応いた
2009～2010 年度、2011～2013 年度の３期に分けら だだいた花川氏を初めとする三菱電機関係者並びにれる。Figure 5 で 2006～2008 年度に発生した主なト 日本高周波関係者の方々に感謝します。また導波管ラブルであるリニアッククライストロンカソード、 漏水トラブルに関して情報をいただいた産総研清氏、蓄積リング電磁石電源のトラブルは、製作時の不具 豊川氏、日本アドバンストテクノロジー高見氏、合、問題が、運用後 1~2 年で表面化するタイプのト JASRI 近藤氏、日大田中氏、早川氏にこの場を借りラブルであった。これらは加速器の主要設備であり、 て感謝します。
復旧に時間がかかり、当時大きな課題であったが、交換、改修により改善された。続く 2009～2010 年 参考文献
度は、製作時の問題に起因する不具合は無くなり、 [1] S. Sasaki, “Analyses for a planar variably-polarizingundulator”, Nuclear Instruments and Methods in Physics
アボートは制御系トラブル等偶発的かつ小規模なもResearch A347, 83-86 (1994)ののみで、その復旧時間も短時間であった。2011[2] 江田他、”SAGA-LS における APPLE-Ⅱアンジュレー
年度以降は、加速器主要設備での漏水等経年変化、タの製作”、第 22 回日本放射光学会年会・放射光科
劣化要因によるものが主となり、前節で報告した学合同シンポジウム予稿集、東大、108, 2009
RF 窓リークのように、一旦発生すると復旧に時間 [3] S. Koda, et a.l., “Design of a Superconducting Wiggler forthe Saga Light Source Storage Ring”, IEEE Transactions onがかかるトラブルがアボート率を決めている。
Applied Superconductivity, 21, 32 (2011).
Figure 4, 5 からこの 8 年間のマシントラブル要因の[4] 江田他,”SAGA-LS における超伝導及び常伝導マグ
推移は、大まかには、3 年程度の時定数で、初期故ネットから成るハイブリッド型 3 極ウィグラーの開発
障期、偶発故障期、磨耗故障期に分けられる、いわと運用状況”,放射光,24, 141 (2011).
ゆるバスタブ曲線といわれる故障曲線に近い推移を [5] T. Kaneyasu, et al., “Generation of laser Compton gammarays in the SAGA light source storage ring”, Nuclear
たどっている。トラブル要因はこの 2，3 年間に質Instruments and Methods in Physics Research A 659, 30
的に変化し、経年変化や劣化に対する予防と対応体(2011).
制が今後のより重要な課題となっている。
[6] 金安他、”SAGA-LS におけるレーザーコンプトンガ

5.

まとめ

SAGA-LS は開所以来 8 年が経過した。その間に蓄積電流の増大、アンジュレータ、超伝導ウィグラー- 363 -

ンマ線の生成試験とモーメンタムコンパクションファ
クター評価への応用“、第 24 回放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム予稿集、つくば、77 (2011).