Upgrade project of 1.2 GeV electron synchrotron at Tohoku University
Fujio Hinode #,A), Toshiya MutoA) , Shigeru KashiwagiA) , Masayuki KawaiA) , Yoshinobu ShibasakiA) , Ken
TakahashiA), Ikuro NagasawaA), Kenichi NanbuA), Nuanya HuangA,B) , Hiroyuki HamaA)
A)
Electron Light Science Centre, Tohoku University
1-2 Mikamine, Taihaku, Sendai, 982-0826
B)
Institute of Photonics Technologies, National Tsing Hua University, Taiwan
No. 101, Section 2, Kuang-Fu Road, Hsinchu, Taiwan 30013, R.O.C.

Abstract
In Electron Light Science Centre, Tohoku University, the 1.2 GeV booster synchrotron had been routinely operated
as a user facility until the Great East Japan Earthquake damaged the accelerator seriously. In the last year somebudgets were approved to partially reconstruct the accelerator complex. For the booster ring, some old power supplies
of magnets are replaced. Furthermore some quadrupole magnets are also replaced to the combined function magnetsof which sextupole component is included. Modifying the ring optics so as to introduce the horizontal dispersion into
the position of combined magnet, this replacement will make it possible to correct the chromaticity. Since there has
been no sextupole in the ring so far, thus the ring current was significantly limited due to head-tail instability. Hence
this upgrade will bring the new capability into the ring as a synchrotron light source.

東北大学 1.2 GeV 電子シンクロトロンの改造計画
1.

はじめに

東北大学・電子光理学研究センターでは、昨年の東日本大震災に関わる復旧計画の一貫として、1.2GeV 電子シンクロトロン（STB リング）の復旧・改修作業が進行している。入射用線形加速器の更新に伴って、入射エネルギーが 90 MeV に下がったことにより、STB リングについても大幅な見直し作業が必要となった。
STB リングにおける今回の変更の要点は、１）振り上げ運転用電磁石電源の更新、２）入射用パルス
電磁石電源の更新、３）Ｑ電磁石の更新、の３点である。１）については、破損した偏向電磁石と４極電磁石のパターン電源を、より高性能な電源と置き換えることで、90 MeV から 1.3 GeV 程度までの広い運転領域において、高い安定度を確保するものである。２）については、もともと低エネルギーでの入射には対応できていなかったが、今回の震災で高圧制御回路も破損してしまったために更新することとなった。３）は、懸案であったクロマティシティーの補正を可能にすることを企図している。これは、直線部の４極電磁石を６極磁場入りの複合機能型電磁石に置き換えるとともに、その直線部に0.6 m 程度の分散関数を導入するものであり、これにより蓄積電流を制限してきた head-tail instability を抑制することが期待できる。これまで、STB リング
は主として核物理研究における電子散乱実験のためのパルスストレッチャーとして、また近年では制動放射による高エネルギーのガンマ線生成のために利用されてきた[1,2]。今回の STB リングの改修・改造
計画は、将来の放射光源としてのあらたな利用へ向けて、道をひらくものである。
___________________________________________#hinode@lns.tohoku.ac.jp

2.

複合機能型電磁石の導入

2.1

STB リングの概要

STB リングは４セルの double-bend ラティスで構成されており、その主要パラメータを表１に示した。
生成されるガンマ線のエネルギーをできる限り高くするため、改造後の最大エネルギーは 1.3 GeV 以上を目指している。
表 1：STB リング主要パラメータ
Circumference

49.75 mMaximum energy> 1.3 GeV

Injection energy

90 MeV

Betatron tune

(3.24, 1.18)

Natural chromaticity(-5.586, -4.427)

Corrected chromaticity(1.384, 1.232)

RF frequency

500.14 MHz

RF voltage

400 kV

Natural emittance

160nmrad (@1.2 GeV)

Momentum compaction

0.0458Dispersion at straight section

0.6 m

Beam current

200 mA (@1.2 GeV)

Touschek lifetime> 48 hours (@1.2 GeV

図１に STB リングのラティス関数を示した。エ
ネルギー分散部にはクロマティシティーを補正する- 915 -

６極磁石を設置するスペースが全くないので、もと 極電磁石と入れ替えられるため、磁極面を除いて同もとは分散関数の無かった直線部に分散関数を導入 一の形状となっている。４極に対する６極磁場強度するとともに、その直線部の４極電磁石を６極磁場 の比は、それぞれ 2.4（QF）と 3.8（QD）である。
入りの複合機能型電磁石と入れ替えることとした。 磁極面は、基本的には指定した磁場強度とボア径か
この分散関数の導入は、ビーム軌道に挿入された標 ら決定される等ポテンシャル面により与えられる[3]。
的からの制動放射による高エネルギーガンマ線を利 しかしながら３次元磁場計算によると、６極磁場は用するユーザー運転においても、散乱電子が周回後 ４極磁場よりも磁場有効長が 7 %程度短いというこに標的部の支持具などに更に衝突するのを抑制する とがわかっており、このため積分磁場が設計の磁場ことが期待できるため、大変に有用と考えられる[2]。 強度比を与えるように、３次元計算により磁極面がまた、６極磁場はベータ関数が最大の場所に位置す 決定された。磁場の飽和については、６極磁場は４るため、小さな値で効果的にクロマティシティーを 極磁場よりも飽和の影響が大きいと評価されている補正することが可能である。この結果、広いダイナ が、1.3 GeV 程度までの運転においては許容範囲内ミックアパーチャの維持も期待できる。複合機能型 と見込まれている。また現実的な運転範囲内では、電磁石の欠点として、基本的には４極磁場に対する 両磁石とも各有効長には励磁電流の依存性は見られ６極磁場強さの比を変更することができないことが なかった。
ある。しかしながら、直線部の分散関数を制御する
この複合機能型電磁石の重要な問題として、磁極ことで、クロマティシティーをある程度は調整する の機械的中心部における２極成分の存在がある。理ことが可能である。図２には、分散関数のクロマ 想的には機械的中心部に２極成分は無いはずだが、ティシティー依存性を示してある。分散関数を 0.1 磁極面を有限の大きさで切り出すために水平方向にm ほど調整すると、クロマティシティーを 0.8 程度 磁場中心のずれが生じてしまう。また励磁電流が大変化させることが可能と見込まれている。
きく磁場が飽和し始めると、２極成分も急激に大きくなることが予期されている。３次元磁場計算によると、この大きさは 10-3 Tm のオーダーと評価されており、対応するキック量は 0.2 mrad 程度となり無視できない。このため、この２極成分を補償するように磁石の設置位置をずらして対処することを検討している。この位置のオフセット量は、QF（QD）磁石に対して、0.8（2.0）mm と見積もられている。
なお２極成分の補正方法としては、バックレグコイルを用いる手法も考えられるが、ブースターモードでの電磁石のパターン運転の立ち上がり時間が１秒程度と早いため、採用しなかった。
2.3 ビーム入射と設置誤差
図１： STB リングのラティス関数

図２： 分散関数とクロマティシティーの関係

2.2

複合機能型電磁石

新たに導入される複合機能型電磁石は、既存の４ビームの入射効率をトラッキングシミュレーションにより評価した。バンプ電磁石は、7 周分のビーム入射をカバーするようにフラットトップを約 1.2µs とし、その後の 3 周分の時間をかけて磁場が零になると仮定した。S-band の線形加速器から入射されるビームは、リングの 500 MHz の RF には同期していないので、シミュレーションにおけるビームの分布はバンチビームではなく、時間的に連続な分布を持つとした。また入射ビーム電流のピーク値は 1 に規格化して評価を行った。図３は電磁石に設置誤差を与えた場合の最初の 20 周分の蓄積電流の推移を示したものである。設置誤差として全幅で 50、100、200、300 µm の一様分布の誤差を与え、それぞれについて 100 個の組み合わせを作って評価した。図３に示した結果は、その 100 個のサンプルに対する平均値を示したものである。設置誤差 50 µm の場合には、誤差がない場合と蓄積電流に違いは見られなかった。図３を見ると、誤差が小さい場合には 5 周目までは蓄積電流がほぼ線形に増加しているのがわかる。6 周目で蓄積電流が減少するのは初めに入射したビームがセプタムに衝突するようになるためであるが、7 周目からはバンプが下がり始めるため、再び電子の損失は僅かになる。設置誤差が無視でき- 916 -

る場合、およそ 6 周分のビームが蓄積できるが、200 µm になると 5 周分以下まで減ってしまう。線形加速器から入射される電子ビームのマクロパルスの平均電流は 50 mA 以上は確保できるものと見込まれており、従って、この場合でもスタッキングをすることなしに、200 mA 以上の蓄積電流を得ることは十分に可能と考えられる。なお設置誤差が最大±150µm までになると、蓄積電流は平均で 3 周分程度まで下がってしまい、ミスアラインメントの組み合わせによっては、最悪の場合 0.1 周分しか蓄積できないケースも存在している。また、このトラッキングシミュレーションの結果からは、鉛直方向の物理的口径が±20 mm と狭いため、入射効率は鉛直方向のCOD に強く依存していることがわかっている。この結果、鉛直方向の設置誤差は水平方向に比べて影響は大きい。現在、アラインメント作業としては±100 µm 以下の設置精度での据え付けを目標としているが、特に鉛直方向の測量については比較的に容易であることから、設置誤差に起因する大きな問題は生じないものと考えている。

図３：蓄積電流の時間推移と設置誤差依存性
上から順に、全幅で 50、100、200、300 µm の一様な分布の設置誤差を与えた場合の蓄積電流の減少を示す。各プロットは、各設置誤差に対してとった 100 個の組み合わせの平均値である。設置誤差
50 µm の場合、誤差がない場合と蓄積電流はほぼ同じであった。

3.

現状と今後の展望

現在、復旧と再構築のための作業が急ピッチで進められている。これまでに加速器本体の設置されている実験室内部の整備・改修がほぼ終了し、古いビームラインの撤去も、昨年度中に完了している。
現在製作中の電磁石電源については、本年末に現地調整を実施する運びとなっている。また、複合機能型電磁石については現在、順調に製作が進行しており、本年秋に設置作業が始まる予定である。

今回の改造作業により期待される光源加速器の性能として、図４に偏向電磁石とアンジュレータからの放射光輝度を示した。曲率半径 3 m の偏向電磁石
か ら は 、 1 keV 程 度 の ピ ー ク エ ネ ル ギ ー 領 域 で5.6E12 photons/s/mrad2/0.1%BW の光束密度を得ることが可能である。これは先端的な利用研究に適用されるには、必ずしも十分な値ではないが、それでも大学の放射光利用分野における教育目的の専用ビー
ムラインとしては、十分に意味のあるものと考えている。また更には、将来の発展として、挿入光源のために 2 m の直線部を確保してあり、例として一般的なアンジュレータ（周期長=50 mm、周期数=36周 期 、 Kmax= 2.0 ） を 仮 定 す る と 、 1016
photons/s/mrad2/mm2/0.1%BW に 近 い 輝 度 の 光 がVUV 領域で利用可能になると期待されている。また平均的なベータ関数を用いて、Touschek 寿命を大まかに評価したところ約 48 時間という結果が得られており、このため現状でビーム寿命を制限する要因としては、真空容器内の残留ガスとの散乱による寄与が支配的であると予想される。現在、NEG ポン
プの導入などによる排気速度の増強が検討されているが、真空システムの改善は今後の重要な課題のひとつと考えている。

図４：1.2 GeV 運転にて期待される放射光輝度
ビーム電流：200 mA、カップリング：1 %を仮定。

参考文献[1] F. Hinode, et al., Proc. Second Asian Particle Accelerator
Conference, Beijing, China, pp. 106-108, 2001.
[2] F. Hinode, et al., Proc. 21st Particle Accelerator Conference,Knoxville, USA, pp. 2458-2460, 2005.
[3] A. Andersson, et al., Design Report for the MAX II Ring,
ISSN 0284-1258 ISRN LUNTDX/NTMX-7019-SE, MAXlab, University of LUND, 1992.

- 917 -