SACLAにおける	マルチビームライン試験運転の現状	  原 徹、稲垣 隆宏、田尻 泰之、渡川 和晃、金城 良太、
武部 英樹、近藤 力、大竹 雄次、田中 均	  RIKEN	  SPring-­‐8	  Center	  深見 健司	  JASRI	XFEL施設のマルチビームライン運転	
• マルチユーザー施設である蓄積リングベースの放射光施設に対し、線型加速器ベースのXFELはシングルユーザー施設。	  	  • 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複数BLの同時運転（マルチビームライン運転）は、施設利用効率向上の面から非常に重要。	  	  • 波長可変性はXFELの特長のひとつであるが、マルチビームライン運転において広い範囲で波長可変性を得るには、各ビームラインの利用実験のレーザー波長に合わせてビームエネルギーを電子バンチ毎に変えることが必要（マルチエネルギー運転）。	  SACLA	  facility	

SACLAの電子バンチ振り分けシステム	
• SACLAでは2014年9月に2本目のアンジュレータビームラインBL2を設置、2015年1月に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（現状30	  Hz）で電子バンチを各BLへ振り分けるマルチビームライン運転の試験を開始。	  
• 電子ビーム軌道安定性を確保するため、キッカーの偏向角はなるべく小さく抑えている。	
To	  BL2	To	  BL2	END	  of	  linac	

52	  mrad	  (3°)	
To	  BL3	

DC	  bend	
XSBT	  (to	  SPring-­‐8)	

Kicker	  (10	  mrad)	

To	  BL3	
DC	  twin	  septum	  (42	  mrad)	

XSBT	  (to	  SPring-­‐8)	

キッカー電磁石および電源の開発	
• キッカー電磁石用電源は非共鳴型のパルス電源	

0.35	  mm	  silicon	  steel	  パルス間の目標安定性 	  10	  ppm	  (p-­‐p)	  	PWM	  (Pulse	  Width	  ModulaUon)	  type,	  320	  A-­‐150	  V,	  60	  Hz	  trapezoidal	  waveform,	  FET	  8-­‐unit	  in	  parallel,	  	  made	  by	  Nichicon	  Kusatsu.	  台形波電流駆動による	  電子バンチ振り分けパターンの一例	
Pattern of waveforms

Kicker current (a.u.)

1.0Waveform

0.50.0To BL3 (8 GeV)

-0.5
To XSBT (6 GeV)

-1.0

16.6 ms (60 Hz)
0•••To BL2 (7 GeV)

2040

60Time (ms)80100120

最大４つのウェーブフォームを自由に組み合わせて電子バンチ振り分けのパターンを作成可能。	  
各ウェーブフォームの極性および振幅は、振り分けの方向やビームエネルギーに合わせて設定可能。	  
電子バンチのタイミングは、電流が十分静定された台形波フラットトップの最後に合わせる。 	  	  ゲート型ＮＭＲを用いたパルス磁場測定	
••••

キッカーのパルス間磁場安定性の目標は10	  ppm（p-­‐p）で、0.1μradに相当。	  
DCCTによるパルス電流測定では30	  ppm以下の精度を得るのが難しい。	  
ゲート型NMRを用いてパルス磁場を直接測定。	  
ゲート型NMRは、0.6	  msのゲートopen時に共鳴周波数をスキャン、分解能	  2	  ppm。	

Gate	  opens	  for	  0.6	  ms	Pulsed	  ﬁeld	Developed	  by	  Echo	  Denshi.	

キッカー電磁石のパルス磁場安定性	

Magnetic ﬁeld variation

1.5

概ね10	  ppm	  (p-­‐p)の目標を達成	

1.0
0.5
0.0-0.5-1.0-1.5x10-5050

100

Time (minute)150200• サンプリング間隔は1分毎。	  
• スタート時やパラメータ変更時に顕著に現れるゆっくりしたドリフトはビーム軌道FBで補正可能。	

BL2ドッグレッグ部	
Kicker400
DC septum 5200To BL3 IDs

キッカーとセプタムの偏向角が対称になっていないため、CSR効果を抑制するDBAベースの光学系にはなっていない。	

From linac

Inverse bend
3.7 mradSteering

Q-mag

Screen

BPM

65tou
Ab

84 mm offset

DC bend

To BL2 IDs
8529

1746 1590 4305

4185

m

Inverse	  bends	
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。	  

4185

k

1610 mm offset

C-band accelerators(FODO)

Undulators(FODO)

Dogleg to BL2 (65 m)

1.0

C band accelerator

150

Bend (k: kicker, s: septum)

0.5

Quadrupole
100

Undulator

Horizontal dispersion

0.0

Vertical beta50-0.5
Horizontal beta
0360

380

400420440

z (m) from gun cathode460480

Horizontal dispersion (m)R56	  of	  dogleg:	  DC	  switching	  magnet	  1.6	  mm,	  kicker	  +	  septum	  without	  correcUon	  4.0	  mm,	  kicker	  +	  septum	  with	  correcUon	  0.07±0.4	  mm.		

Beta function (m)

200

1.5s

SACLA電子バンチ時間分布	
10000

High current bunch(230 pC)

Current (A)

8000
6000

Low current bunch(170 pC)

4000
2000
0050

100

150

200

Time (fs)250

300350• RF	  deﬂectorで測定した電子バンチ時間分布（ビームサイズ込み）。	  
• BL3通常シングルビームライン運転で使用している高ピーク電流の電子バンチは、設計ピーク電流の3倍以上。	  
• 低ピーク電流時間分布は、dogleg部のCSR効果を抑えるために電子バンチを伸ばした時のもの。	

Dogleg部におけるCSR効果	

Dogleg通過後の水平ビーム位置（赤）とバンチ電荷（緑）	

水平方向	  (pm-­‐rad)	  垂直方向	  (pm-­‐rad)	  BL2	  高ピーク電流（10	  kA）	16.3	0.74	

BL2	  低ピーク電流（1	  kA）	2.7	0.64	

BL3	  高ピーク電流（10	  kA）	BL3	  低ピーク電流（1	  kA）	1.4	0.27	

0.83	

0.24	

7.8	  GeV、規格化エミッタンス0.5	  μm-­‐radの電子ビームエミッタンスは33	  pm-­‐rad。	

• 高ピーク電流時には、dogleg通過後の水平方向軌道変動が激しく、スクリーン上のプロファイルが水平方向に広がっている。	  
• レーザー発振はするものの、パルス出力は30μJ程度、出力変動が非常に大きい。	

マルチビームライン運転	
電子ビームエネルギー7.8	  GeV、ピーク電流1.2	  kA、繰り返し30	  Hz	BL2	  7.8	  GeV	  6.38	  keV	  15	  Hz	  K=2.85	

Intensity (a.u.)

0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
6.32
1.0

6.36

6.40

Photon energy (keV)Intensity (a.u.)

0.6
0.4
0.2
0.0
10.04

10.08

10.12

Photon energy (keV)

150
100
500

6.44(b) BL3

0.8

200

Pulse energy (µJ)(a) BL2

BL3	  7.8	  GeV	  10.07	  keV	  15	  Hz	  K=2.1	(a) BL2 (6.38 keV)
Relative stability 11.9 % (STD)
02000

4000

Pulse number60008000

6000

8000

200

Pulse energy (µJ)

1.0

150
100
500(b) BL3 (10.07 keV)

Relative stability 9.5 % (STD)

02000

4000

Pulse number

マルチビームライン運転	
電子ビームエネルギー7.8	  GeV、ピーク電流1.2	  kA、繰り返し30	  Hz	BL2	  7.8	  GeV	  6.38	  keV	  15	  Hz	  K=2.85	

Photon energy (keV)

6.40(a) BL2

6.39
6.38
6.37
6.36

Photon energy relative stability 4.5e-4 (STD)
0BL3	  7.8	  GeV	  10.07	  keV	  15	  Hz	  K=2.1	

Photon energy (keV)

10.12

2000

4000

Pulse number

6000

8000

横軸フルスケールは10分	(b) BL310.1110.1010.09
10.08
10.07

Photon energy relative stability 5.7e-4 (STD)

10.06
02000

4000

Pulse number

6000

8000

中心波長（ビームエネルギー）の安定性は5×10-­‐4（2.5×10-­‐4）、通常運転時と同じ	マルチビームライン運転における	  マルチビームエネルギー運転	• BC3下流のCバンドクライストロン52台中、12台のクライストロン（加速管24本）を15	  Hzで運転。	  
• 30	  Hz電子バンチのうち、半数はこれらの加速管では加速されず最終エネルギーを6.3	  GeVに下げることができる。	  
• キッカー電磁石の電子バンチ振り分けと組み合わせ、BL2へは低いビームエネルギーをもつ電子バンチを振り分けることで、マルチビームライン運転においても、広い波長可変性を確保。	  マルチビームライン運転	
マルチエネルギー運転、ピーク電流1.2	  kA、繰り返し30	  Hz	(a) BL2

BL2	  6.3	  GeV	  4.09	  keV	  15	  Hz	  K=2.85	

Intensity (a.u.)

0.8
0.6
0.4
0.20.04.04

4.08200

Pulse energy (µJ)

1.0BL3	  7.8	  GeV	  10.09	  keV	  15	  Hz	  K=2.1	

Intensity (a.u.)

0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
10.04

10.08

50(a) BL2 (4.09 keV)

Relative stability 10.5 % (STD)

0

2本のBL間の波長差2倍以上	

4000

Pulse number

6000

8000

6000

8000

150
100
50(b) BL3 (10.09 keV)

10.12

Photon energy (keV)

2000

200

Pulse energy (µJ)(b) BL310004.12

Photon energy (keV)

1.01500

Relative stability 9.1 % (STD)

02000

4000

Pulse number

BC3下流のCBクライストロン52台中12台を15Hzで運転	SPring-­‐8-­‐IIへのビーム入射に向けて	
• SACLAからXBSTを通し、シンクロ出口までのビーム試験は終了。	  
• ビームエネルギーだけでなくバンチ長の制御が必要。	  
• トップアップ運転には任意のタイミングで入射。	  
SACLA	  linac	Beam	  injecUon	  from	  SACLA	SSBTBeam	  injecUon	  from	  Linac	  +	  Synchrotron		まとめ	• キッカー電磁石を用いた、2本のビームライン間のマルチビームライン運転をXFEL施設で初めて行った。	  
• 高ピーク電流（10	  kA）の電子バンチをBL2ビーム輸送路に通すと、現状dogleg部のCSRの影響が顕著に現れる。Dogleg部のビーム光学系の再配置を現在検討中。	  
• CSR効果を抑えるため、ピーク電流を1	  kAに下げて運転。レーザー
パルス出力は100-­‐150	  μJと通常運転時の1/3程度だが、安定なレーザー発振を達成。	  
• 電子バンチのビームエネルギーをビームライン毎に変えることで、マルチビームライン運転において2倍以上の波長可変範囲を得ることに成功。