Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

Design study of the compact ERL optics
Takashi Shiraga1,A), Norio NakamuraA), Kentaro HaradaB), Miho ShimadaB), Shogo SakanakaB),
Yoshinori KobayashiB), Ryoichi Hajima C),A)
Synchrotron Radiation Laboratory, Institute for Solid State Physics, University of Tokyo
5-1-5 Kashiwa-no-ha, Kashiwa-shi Chiba-ken, 277-8581
B)High Energy Accelerator Research Organization
1-1 Oho, Tsukuba-shi Ibaraki-ken 305-0801
C)
Japan Atomic Energy Agency
4-49 Muramatsu Tokai-mura Naka-gun Ibaraki-ken 319-1184
Abstract
An energy recovery linac (ERL) is expected to be the next generation synchrotron radiation source that can provide
synchrotron radiation of higher brilliance, shorter pulse and higher coherence than the existing third-generationsynchrotron light sources. The compact ERL is planned to be constructed in order to solve some problems inachievement of such synchrotron radiation and to confirm advantages of ERLs. In the compact ERL, the bunch iscompressed against CSR (Coherent Synchrotron Radiation) effects by using one TBA(Triple Bend Achromat) cell inbunch compression mode. We studied and optimized the compact ERL optics to achieve subpico-second bunch
generation and efficient energy recovery and to transport the beam to the beam dump without serious beam loss. The
design study of the compact ERL optics was done by using the simulation code Elegant. As a result, we succeeded in
obtaining a 40-fs bunch with a charge of 77 pC just after the first TBA cell. Furthermore we could suppress themaximum beam size to less than 8.5 mm even after deceleration.

コンパクトERL電子ビーム光学系の設計研究
１.

はじめにムロスのないビーム輸送を達成するために、6極磁石による二次収差の補正を含めた電子ビーム光学系の最適化を、軌道計算ソフトElegantを用い行った結果を示す。

エネルギー回収型ライナック(ERL)は大電流、超低エミッタンス、超短パルスの電子ビームを生成できることから次世代放射光源用の加速器として期待されている。ERLは電子ビームを周回させ超伝導ライナックで加速・減速することでエネルギー回収を行っている。
コンパクトERLは5GeVクラスのERL本機に向けたERL構成機器の動作実証、ビームダイナミクスの研究を行う。ERLに求められる技術課題のうち重要な一つが、高い時間分解能を持つサブピコ秒電子バンチの発生である。現時点では1-3ps程度で加速した電子を周回部においてバンチ圧縮するスキームを提案しているが、バンチ圧縮方式の決定にはコヒーレントシンクロトロン放射(CSR)の影響を詳しく検討しなければならない。周回部で発生するCSRは短いバンチ長で強く、バンチあたりの電荷の自乗に比例して大きくなる。CSRは大強度テラヘルツ光源として有用であるが、一方ではバンチ圧縮とエミッタンス保存の障害にもなる。今回は、バンチ圧縮モードでの超短バンチの生成とその後の効率的なエネルギー回収やビームダンプまでのビー

２.

バンチ圧縮モードにおける最適化

コンパクトERLでは必要に応じて高い輝度を要する
超低エミッタンスモードと、高い時間分解能を持つ超短パルスモードを使い分ける。今回は超短パルスモードにおけるバンチ圧縮とそのオプティクス最適化を行った。図1に、コンパクトERLの配置構成を示す。

図1:コンパクトERLの配置構成-589-

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2.1 最適化の方針

入射エネルギー

5[MeV]

バンチ圧縮では、加速空洞通過時にあえてバンチ内にエネルギー勾配がつくように加速を行い、その後の第１アーク部（弧部）で R56 と T566 、エネ

加速後のエネルギー
加速周波数165[MeV]
1.3[GHz]

入射バンチ長水平方向規格エミッタンス
垂直方向規格エミッタンス

1[ps]1[mm･mrad]
1[mm･mrad]⎛ ∆E ⎞⎛ ∆E ⎞⎛ ∆E ⎞∆z = R56 ⎜⎟ + ...(1)⎟ + U 5666 ⎜⎟ + T566 ⎜
⎝ E ⎠
⎝ E ⎠
⎝ E ⎠

バンチ内電荷電流
運動量広がり77[pC]
100[mA]
2×10-3のように展開される。まず1次の項のみを考えると加速時の位相角15°ルギーのずれを利用することによりバンチを圧縮する方法があり、これを用いた。エネルギーのずれによる進行方向の位置のずれは
2k RF sin φ RF =1R563

表1:初期パラメータ(2)という条件で圧縮が出来る。( k RF は加速波の波数、φ RF は加速時の位相ずらし角)。ただこれだけでは2次以上の項が高次エラーとして発生するためまだ圧縮の余地があり、2次の補正として六極磁石を入れてバンチ長を最短となるように最適化を行う。
加えて周回部以外では分散関数 η や η ′ を0にする。
また、効率的なエネルギー回収をし、ビームダンプ部まで問題となるようなビーム損失がないようなビーム輸送を実現するための最適化も行う。
減速空洞でエネルギー回収を行う際、加速時の位相とは180°ずれた位相に乗せる必要がある。そのため第２アーク部の R56 の値は前半アーク部におけ

次に第２アーク部で R56 = −0.1419 とした場合の結果を示す。進行方向の位置と運動量の分布について、加速空洞通過直後のバンチと減速空洞直前のバンチをそれぞれ図3に、入射バンチと減速直後のバンチを図4に示す。図3では、減速空洞直前のバンチの分布形状を加速空洞通過直後のバンチの分布に近い形まで戻すことが出来た。しかし、主にCSR効果によりバンチが完全には戻らず、バンチ前方(図中の左側)のエネルギーが高くなり、図４での減速後のバンチではそれによる運動量広がりが増大した結果となった。

る R56 とは符号を逆にした値にしなければならない。
加速空洞出口のバンチと減速空洞入り口のバンチは完全に一致していることが理想であるので、第２アーク部の六極磁石によりバンチ長等が加速空洞出口のそれに近づくように最適化を行う。なお、
特に断らない限り、以下ではバンチ長、運動量広がり、エミッタンス、ビームサイズ等の値は、分布の標準偏差の値を採用している。
2.2

最適化のシミュレーション結果

今回のシミュレーションではERL入射時のパラメータ初期値を表１の値として計算を行った。
φ RF = 15° であるため(2)式より前半アーク部で

図2:前半アーク出口におけるバンチの進行方向位置及び運動量の分布。

R56 = 0.1419 とすることで圧縮される。第１アーク部の四極により R56 を設定し、第１アーク部出口でバンチ長が最短となるように六極を最適化した結果、図2の結果が得られた。これは第１アーク部出口直後におけるバンチの進行方向位置と運動量の分布図であり、バンチ長を40.9[fs]まで圧縮することに成功している。またそこにおける規格化エミッタンスは水平方向、垂直方向それぞれ入射時の2.4倍、3.9倍であった。

図3: バンチの進行方向位置及び運動量の分布。
左図が加速空洞通過直後のバンチ、右図が減速空洞直前のバンチ。
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図4: バンチの進行方向位置及び運動量の分布。左
図が入射バンチ、右図が減速直後のバンチ。

図6:水平方向と垂直方向のβ関数

図5: 電子軌道に沿ったバンチ長と運動量広がり。

図5に、ビーム入射位置からビームダンプ部までの電子の軌道に沿って、バンチ長と運動量広がりをプロットしたものを示す。図5のs=30mの地点が第一アーク部の出口であり、バンチ長がそこで非常に良く圧縮されている。その後の第二アーク部に よ り バ ン チ 長 が 第 一 ア ーク部前のそれにほぼ戻っている。運動量広がりが急激に上昇している地点は2つ目の減速空洞通過後である。元々CSR効
果によりバンチ内のエネルギー広がりが発生していたが、加速後の電子のエネルギーが高く、相対的にはその広がりの影響は小さいものであった。
しかし、減速後はCSRによる運動量広がりが相対的に無視できないほどの大きさになっている。そのためバンチ内の個々の電子の速度差が表れ、バンチ長の広がりを起こしている。
図6、図7に、電子ビーム光学系最適化後のβ関数とビームサイズの図をそれぞれ示す。
図7のビームサイズでは、全体を通して水平方向・垂直方向のサイズ8.5mmを下回るような結果を出すことが出来た。

３.

図7:電子軌道に沿った水平・垂直方向のビームサイズ

おいても、最適化によってビームサイズを8.5mm以下まで抑え込むことができた。さらなる最適化作業を行い、減速後でのビームサイズや運動量広がりの増大を抑えていく必要がある。
今回の発表ではバンチ当りの電荷が77pCでの最適化の結果を報告したが、同じ光学系ではバンチ内電荷を5倍にした385pCでは第１アーク部出口で約100fsまでバンチ長が伸びてしまう。電荷に応じた最適化が必要である。また、電荷に限らず、初期のバンチ長、エミッタンス、運動量広がりの変化に応じて最適化を行い、その影響について調べていく予定である。

参考文献[1] 羽島良一、中村典雄、坂中章吾、小林幸則（編）“コンパクトＥＲＬの設計研究” KEK Report 2007-

まとめ、考察7, JAEA-Research 2008-032, February 2008 A[2]「放射光将来計画検討報告」２００３年３月。高エネ

バンチ圧縮モードにおいて、電子ビーム光学系の最適化によってバンチを約40fsまで圧縮することに成功した。また、ダンプまでのビーム輸送にルギー加速器研究機構。諏訪田・飯田編集。ホームページ-591-

http://pfwww.kek.jp