1205■ 研究紹介ERL 試験加速器のビームコミッショニング
KEK 加速器研究施設

阪 井 寛 志tzsakai@post.kek.jp
本 田 洋 介yosuke@post.kek.jp
2014 年 (平成 26 年) 11 月 26 日

はじめに

1

KEK では, 将来の大規模 ERL 型加速器のための試験
加速器である, コンパクト ERL(cERL) が建設され, 2013年度よりビームコミッショニングを行っている。2014 年
2 月にはビームが周回するようになり, 現在は目標のビー
ム性能を実証するべく, 調整運転を続けている。
本稿では, ビーム運転の現場の立場から, コンパクト

ERL のビームコミッショニングの様子について報告する。はじめに, 加速器の構成について解説したあと, 入
射器と周回部のコミッショニングについて述べる。

図 1: ERL の原理図
ギーを供給すればビームを維持できるのにたいして, 線形加速器では, ビームをゼロから最大エネルギーまで加1.1

ERL とは加速器の歴史の中で, 電子線形加速器は進化を続けて速し, 使い捨てにするため, ビームパワーに相当する RFパワーを常に供給する必要がある。10 GeV で 1 A とするとビームパワーは 10 GW, 効率も考慮するとそれ以きた。電子蓄積リングでは, 放射過程によるリングの定上の電力が必要で, これは現実的には不可能である。こ

常状態を扱うのに対して, 線形加速器では, 粒子源の特の問題を解決するのが, エネルギー回収の方式である。

性がそのままビーム性能を決める。従来の電子源は性能

図 1 に, エネルギー回収型線形加速器 (Energy Recov-

が悪く, 線形加速器は蓄積リングへの入射器という位置上の結果, 特に時間方向と水平方向については, 線形加速

ery Linac; ERL) の原理を示す。低エネルギーの入射器
からビームを打ち込み, 主加速空洞で最大エネルギーまで加速する。一周したビームは再び主加速空洞を, 今度

器で蓄積リングを上回る性能が得られるようになった。

は 180 度ずれた減速位相になるように通過する。ビーム

X 線自由電子レーザー (XFEL) は, 線形加速器の最先端の応用例と言えよう。
高加速勾配の線形加速器は, 常伝導加速管をパルス RF

は入射時のエネルギーまで減速されて, ダンプに捨てらで駆動するものが主流であった。しかし, 平均ビーム電ムを加速するために再利用される。特に, 空洞壁での熱流への要求が高まってくると, 連続 (CW) 運転が有利に損失が無視できる超伝導空洞の場合, 空洞に外部から供なる。このため, 熱損失が無い超伝導加速空洞による線

給する RF 源は小さなもので十分である。エネルギーはづけであった。しかし, 近年の電子銃の飛躍的な性能向れる。ビームのエネルギーはそのまま捨てられるのでは無く, RF のエネルギーとして空洞に回収され, 次のビー形加速器が開発されるようになった。CEBAF (JLab)

回収される一方で, ビーム粒子は一周で使い捨てにする。

は, 超伝導加速空洞による連続運転線形加速器の例で,粒子源は定常的に大電流を供給しなければならず, 最大

原子核実験に高エネルギー電子ビームを供給している。

の開発要素の一つである。

蓄積リングに迫る大電流ビームを線形加速器に要求するとなると, エネルギーの収支で原理的な限界に行き当たる。蓄積リングでは, 放射損失を補うだけのエネル
0 2014 年 (平成 26 年) 11 月 29 日改訂 (v.1)

2
206

1.2

世界の ERL 開発の現状

えば, ビームによって空洞に誘起される高調波がビーム

実は ERL がはじめて提案されたのは, 高エネルギー実

不安定現象を引き起こすことが知られており, JLab では

験におけるコライ ーとしてであった [1]。ただし, 現時

ビーム電流を制限する要因になっている。cERL では, 新点で実用化されている ERL は, いずれも比較的小規模の,しい超伝導空洞を設計し, この制限を超える試みを行っ

長波長の自由電子レーザー (FEL) 施設としての応用であている。また, cERL を建設し運転していく過程で, 国る。ロシアのブドカー研究所 (BINP) の NovoFEL[2] は,内の ERL 開発の体制を, 実際に新しい方式の加速器を常伝導加速空洞の施設であるが, 12 MeV で 30 mA の設計建設し, 短期間に目標の性能を実現できるものとす

ビームを運転しており, 世界最高出力のテラヘルツ FEL

ることも、大きな使命である。

光源である。また, マル

ループの運転を実証した唯一

表 1 に cERL で目標として設定したパラメーを示の例でもある。アメリカのジェファーソン研究所 (JLab)

す。超伝導加速空洞が高い加速勾配で安定運転し, エネの IR-FEL[3] は, 150 MeV で 9 mA のビームを運転し,ルギー回収の必然性があるだけのビーム電流を周回する

世界最高出力の赤外 FEL 施設である。

こと, またそのとき線形加速器ならではのビーム性能を

1 GeV クラスの極短紫外 (EUV) 領域 FEL 施設も提案されている。この波長領域の高出力光源は, 特に半導体産業からの強い要求があり, 昨今世界各地で精力的に検討がなされている。蓄積リング型放射光施設に代わる将来光源としての ERL の提案もある [4][5]。蓄積リング

達成すること, である。つまり一言で言うと, ERL の特最大周回部エネルギー

35 MeV

では実現できない, 短パルスで高輝度の X 線源を, 線形

最大入射部エネルギー加速器で実現しようというものであるが, いずれもまだ

ビーム電流

計画段階である。高エネルギーハドロンリングに偏極電規格化エミッ子ビームの ERL を併設して, コライ

バン

6 MeV
10 mA (長期目標 100 mA)
0.3 µm (7.7 pC/bunch)1∼3 ps (バン 圧縮 100 fs)

ー実験を行う計長を示すことである。
表 1: cERL の目標パラメー

ンス

長

画も提案されている。CERN の LHeC 計画 [6] や BNLの eRHIC 計画 [7] などである。
このような状況を受けて, 世界のいくつかの加速器の旧陽子シンクロトロン (KEK-PS) の東カウン ーホー

研究所では, 最近, 小型の ERL 試験加速器が建設され

ルを改修して ERL 開発棟と改名し, ホールを更地としている。ALICE (Cockcroft Lab), R&D ERL (BNL),た状態から新たに加速器を建設した (図 2)。2008∼2010

bERLinPro (HZB), cERL (KEK) などである。なお国
内では, 既に運転終了した JAERI-FEL [8] で ERL 運転の試験が行われており, 17 MeV で 1 ms 幅 20 mA のマ
クロパルス運転で, 2 kW の赤外 FEL 出力を得ている。

年 4 月に建物の改修と更地化がされ, 2012 年 10 月までングを行った後, 周回部の建設を続け, 2013 年 12 月か

国内では, 放射光の将来計画としての提案があったた

ら周回部を含めた全システムでコミッショニングを開始

めか, ERL=放射光と捉えられがちで, 開発研究への参に加速器の放射線シールドが建設された。2013 年 4 月までに入射器を建設し, 2ヶ月間の入射器のコミッショニした。

加者や, 学会のセッションの構成を見ても, 視野が限定しているように思う。大平均電流を可能にする線形加速器の一つの方式として, 多方面への検討を積極的に行うべきであろう。

1.3

コンパクト ERLKEK では, 将来の大規模 ERL のための試験加速器として, コンパクト ERL(cERL) を建設した [9]。最小限の規模ではあるが, ERL の構成要素を一通り備え, 実際に加速器として動作させる試験装置である。
そもそも既存の ERL-FEL 施設が運転していることから, エネルギー回収の原理自体はここで実証を必要とするものでは全く無い。その先で, 大電流かつ低エミッ
ンスのビームを, 高加速勾配の超伝導空洞で安定にエネ
ルギー回収運転できるか, の実証を目的としている。例

図 2: cERL 加速器室内部の写真 (第 2 アークと電子銃から主加速空洞を望む)

3207

cERL の概要

2

図 3 は cERL のビームライン機器の全体構成を示す。

cERL の主な構成要素について, 設計と立ち上げまでの様子を解説する。

図 3: コンパクト ERL 加速器部のレイアウト

2.1

電子銃

ERL は大電流の線形加速器であることから, 電子銃の選択は極めて重要である。低エネルギー領域では, バンチが自身の電荷で発散しようとする力 (空間電荷効果)が大きく, 性能を保って輸送することが難しい。出来るだけ高い電圧で, 短い距離で相対論的エネルギーに達することが重要である。

図 4: JAEA で開発された DC 電子銃の構造
究極的にはカソードの特性がビーム性能を決める。カ
ソードから真空に電子が放出される際に, 横方向に持つ
運動エネルギーが小さければ, 良く揃った (低エミッタンス) ビームになる。熱電子銃であればカソードの温度が, 金属フォトカソードであれば仕事関数にたいする励
起光エネルギーの余剰分が, 横方向の運動エネルギーの現在最も広く使用されている電子銃は, S バンドある

起源である。いずれの場合も 1000 K 以上に熱運動に相いは L バンドの常伝導 RF 電子銃であるが, 十分な加速当する。cERL では, 半導体フォトカソードを使用して電圧では熱負荷が大きすぎて連続運転が出来ない。そこいる。電子生成の仕組みを図 5 に示す。バンドギャップ

で, VHF 帯まで周波数を下げることで壁損失を抑える,

以上のエネルギーの励起光を照射することによって, 半あるいは壁損失の無い超伝導空洞を使う, という RF 電

導体内部に伝導電子-正孔ペアが生成する。伝導電子は子銃の開発も行われているが, まだ開発段階の印象であ

半導体内部を移動中に緩和過程によって, 余剰の運動エる。加速電場と到達エネルギーで不利ではあるが, 任意

ネルギーを失う。表面まで拡散した伝導電子は, 表面のの繰り返しに対応できることと, カソードの選択肢が広ポテンシャル障壁を抜けて真空中に放出される。緩和過いことを理由に, cERL では DC 電子銃を選択した。図程があるおかげで, 室温相当の運動エネルギーの電子が4 に電子銃の構造を示す。セラミック絶縁管で支えられたカソード電極に, 高電圧を印可する。電極にはフォト放出されることが利点である。また, GaAs 型の半導体

カソードが備えられており, レーザー光を照射して電子光を必要とする金属カソードと比べて高平均出力の励起を発生させる。

レーザーの設計が容易である。一方, 最大の難点は, 量子

カソードの場合, 可視光で励起することが可能で, 紫外電子銃の開発を開始した時点で, 運用中の DC 電子銃

効率の劣化である。伝導帯の底まで緩和した伝導電子がの電圧は, JLab の 350 kV が最大で, コーネル大学が真空中に放出されるためには, NEA(Negative Electron

700 kV を目標に掲げて開発を行っていたが, 400 kV 以

Aﬃnity) と呼ばれる, 負の仕事関数を持つ表面でなければならない。これは, GaAs 表面に単層の Cs を形成して作るのであるが, 非常に脆い。電子ビームが残留ガス上で放電のトラブルが頻発し, 難航していた。(ちなみに,

XFEL の SACLA ではパルス運転の 500 kV の DC 電子銃を使用しているが, ここでは連続運転なので放電のリ
スクはずっと大きい。) cERL では, 多段のセラミック絶縁管を用い, ガードリングと呼ばれる金属板でセラミッ
ク内壁を保護し放電による損傷を防ぐ設計とし, 500 kVをイオン化して生じたイオンが, カソードに向かって逆流し, カソード表面を劣化させてしまう。電子銃の真空をできる限り良くする, 劣化が激しい中央部を避けて使う, といった対策をとりつつカソードを頻繁に交換しなの連続運転ができる電子銃を開発した [10]。(電子銃はがら運転する, というのが一つの解と考えられている。

JAEA で開発を行った後, KEK に移設したが, その前後にセラミック管の一部に不具合が発生し, 現在は 390 kV

現実的に大電流の安定運転が可能かを見極めることは,で運転している。)

cERL の課題の一つである。今の所は GaAs カソードで運転しているが, エミッタンスではやや劣るものの, 劣4208

化の点では有利な CsNaSb や CsKSb などのマルチアル

題となっているものの, 初期の目標である 10 mA のビー

カリカソードの検討も進んでいる。

ム運転には十分な能力を有している。

図 5: 半導体カソードの原理。光励起により伝導電子を生成し, 負の仕事関数を持つ表面から取り出す。

図 6: 入射器加速空洞。3 台の 2 セル空洞がクライオモ
ジュールに収められている。

2.2

超伝導加速空洞

電子ビームは電子銃から出た後, バンチャー空洞によりバンチ圧縮しつつ, 入射器加速空洞で加速される。相対論的速度まで加速することで, 空間電荷効果を抑えて輸送できる。その後, 合流部を通り, エネルギー回収が行われる主加速部にビームが送られる。

2.2.1

入射器加速空洞

2.2.2

主加速空洞

主加速部の超伝導空洞はエネルギー回収を行う本加速器の心臓部である。2012 年夏から秋にかけて, クラ
イオモジュールの組み立てを行い, 加速器室に設置した(図 7)。2 台の 1.3 GHz の 9 セルの Nb 製超伝導空洞で構成され, 高Ｑ値 (> 1 × 1010 ) で 15 MV/m の加速勾配で 35 MeV まで加速することを想定している。特に,最終目標である 100 mA もの大電流ビームを周回でき

入射加速部ではエネルギーの回収が行われないので,るように, ERL 用に特化した改良設計を行った空洞を

大平均電力の RF パワーを機器への負担なく空洞に送り作成した。空洞のくびれ部分の径および空洞両端のビー込む必要がある。最終目標 100 mA を 10 MeV まで加ムパイプ径が大きく, 高次の共振モード (Higher Order

速することを想定すると, 全体で 1 MW 相当の RF パ
洞のクライオモジュールの構造を示す。1 台のクライオMode(HOM)) がビームパイプから外に出て, 空洞両脇の HOM ダンパーと呼ばれるところに吸収する設計になっていることが特徴である。通常の設計では空洞からモジュールに Nb 製の 1.3 GHz の 2 セル空洞が 3 つ配置

出にくい四極の高次モードも, 偏心フルートと呼ばれるされ, 1 空洞あたりの加速勾配は 15 MV/m の設計であ構造で取り出す設計にしている。大電流運転時に問題ワーを供給することが目標である。図 6 に入射器加速空る。各空洞には 2 つの入力カプラーでパワーを入力し,となる HOM を大幅削減したことで, 最大 600 mA まで

カップラあたりの負荷を抑えている。また, 電場の対称の大電流運転が設計上可能である [12]。(同じ 9 セル空性を良くし, 低エネルギービームがキックされないよう洞である, ILC に用いられる空洞では 20 mA が限界でにしている。空洞前後に 5 つの改良型 HOM カプラーをある。) まず, この空洞の単体性能評価試験 (縦測定) に配置し, コンパクトながらもビームによって誘起されるて, 25 MV/m 以上の加速勾配を確認したうえで, 入力

高調波を吸収する構造としている。(主空洞に比べ, 高調

カプラー,

波の制限は比較的緩い。)

チューナー等の組込みを行い, クライオモジュールとし2012 年に単体テスト (縦測定) にて加速勾配 50 MV/mの性能を達成した。その後, クライオモジュールとして組立て, 2013 年 2 月にビームラインに設置し, 15 MV/mの加速勾配が安定に確保できることを確認した。現在,てビームライン上に設置された。

2012 年 12 月には, cERL に設置された状態で大電力試験を行った [13]。各空洞に 15 MV 以上の加速電圧をかけることができたが, 両空洞ともに 8 MV からフィール

入力カプラーが 40 kW で温度上昇してしまうことと,ドエミッションによる放射線が発生し, またそれに伴い

HOM カプラーが加速モードで発熱してしまうことが課

空洞Ｑ値の劣化も観測された (図 8)。フィールドエミッ

高次モード減衰器 (HOM ダンパー), 周波数ションの原因は, 空洞内への (0.1 um 程度の) 埃やごみ

5209

図 8: 空洞 Q 値 vs 加速電圧。2012 年冬と 2014 年の運転時の測定結果。ML1 が上流空洞, ML2 が下流空洞を示す。
て分散をキャンセルし, 劣化無くビームを輸送できる設
図 7:(上) 主 加 速 部 ク ラ イ オ モ ジュー ル 概 念 図 。
(下)cERL 加速器室に設置された様子。

計にしている。

の混入によるものが主である。空洞内面の電界の強い場所に付着した埃から電子が発生し, 空洞に蓄えられたパワーを奪い, その結果, Q 値の劣化が起こる。モジュール
アセンブリ作業においてゴミの混入等があり, 縦測定で出ていた性能が劣化してしまった可能性がある。ビーム
運転では慎重を期し, 主空洞の運転電圧を 8.5 MV/cavとした。
大電力試験の後, クライオモジュールは, 室温まで昇温された。2013 年冬に入射器空洞とともに再冷却され,今度はビーム運転に向けての調整, 具体的にはデジ ルフィードバック系の立ち上げを行い, 加速電圧の振幅・

図 9: 入射合流部と ンプ分岐部。運動量の異なる 2 つ

位相制御およびピエ 周波数 ューナーによる周波数制のビームを, 静磁場で合流/分岐する。

御を確立。空洞電圧が高安定に立つことを確認し, ビー
ム運転に備えた。

2.3

ビームオプティクス

cERL 周回部の特徴的な要素である, 合流部, 周長補正, アーク部, について述べる。

ERL では, 主加速空洞を加速位相で通過したビームが, 周回後には減速位相で戻ってくる必要がある。つまり, 周長は RF 波長の半整数倍でなければならない。これが正しく合っていないと, エネルギー回収率が悪化してしまう。これを微調整できるノブが必要である。
図 10 に示す 2 つの周長調整機構が備えられている。
周回部の直線部には周長補正シケインがある。4 台の偏ERL では, 入射器からの低エネルギービームと, 周回してきた高エネルギービームを同一の軌道に合わせて,向電磁石で閉バンプ軌道を構成する。バンプ軌道の調整

主加速空洞を通過させる (合流部)。また, 主加速空洞をしろの中程を設計中心とし, バンプ高さを変えることで通過したあと, 空洞で加速された高エネルギービームと,±5 mm の周長の調整が可能である。もう一つは、アー
ク頂点の軌道である。これは, アーク頂点の 2 つの偏向
電磁石およびその隣の軌道補正コイルを使用して閉軌道バンプを構成し, 折り返し点を遠回り/近道させて, 周長減速された低エネルギービームを分離する ( ンプ分岐部)。これら合流部と分岐部は, 運動量比による軌道の違いを利用した静磁場によるものである (図 9)。運動量比は 1 : 7 として設計した。入射ビームは角度を持って合流するが, 合流部中央の偏向電磁石に収束作用を持たせを調整するものである。±10 mm の調整が可能である。

ERL のビーム イナミクスを考える際, アーク部は見

6
210

2.4

ビーム診断

ビームを調整し, 目標の性能を実現するためには, ビー
ムの様々な特性の測定が不可欠である。特に入射器は空間電荷効果の下に最適化調整が必要であることから, 専用のビーム診断部を設けている。合流部をオフし, 入射器から直進させるビームラインである (図 3)。
ビーム性能は, 水平垂直および前後方向の 6 次元位相空間におけるバンチの体積で評価される。これをできるだけ小さくするのが望ましい。実際には, ある決まった
ビームパラメータにおいて, 3 種類の 2 次元位相空間を
図 10: 周長補正の方法。直線部のシケインバンプによるものと, アーク部頂点バンプによるものがある。

それぞれ評価する。水平あるいは垂直方向の, 位置と角度の分布 (2 次元位相空間の面積) をエミッタンスと呼ぶ。エミッタンスの測定を行う為に, スリットスキャナ

えないことが望ましい。つまり, アークを通過した後で,と呼ばれる装置が設置されている。これは, 細いスリッ

ビームに何らかの影響を残さないような設計が良い。こトの入った標的をビームラインに挿入して, ビームの一れは, アクロマートかつアイソクロナスの条件にすると部だけを切り取るものである。切り取られたビームの下いうことである。通常, ビームを曲げると運動量による流での拡がりを測定することで, 角度分布が分かる。ス

軌道のずれ, つまり分散が生じるが, アクロマートとは途

リットの位置をスキャンして測定すると, バンチを構成

中で分散関数を収束し, アーク出口において分散とそのする電子の位置と角度の分布が測定できる。

変化率をゼロにするオプティクス設計である。また, 偏バンチの時間分布は, 偏向空洞と呼ばれる装置で測定

向電磁石中の分散は, 運動量に依存した軌道長の差を生する。これは, ビームを横方向にキックする RF 空洞でじる。これをアーク全体で積分すると運動量に依存したある。時間的に変化するキック力でバンチを長手方向に到達時間のずれになる。エネルギー拡がりがあると, 到

傾け, 下流のスクリーンモニタにおいて時間分布が空間

達時間のずれによって, バンチ長が変化してしまう。ア

分布として測定できる。また, 診断ラインの後半部は, 偏

イソクロナスとは, アーク部途中で分散の符号を反転さ向電磁石で軌道を曲げて大きな分散を作っており, エネ

せ, アーク出口での到達時間差をゼロとするオプティク

ルギーの分布を測定することができる。

ス設計である。
偏向電磁石 1 台あたりの曲げ角を 45 度とし, 4 台の偏入射器のビームコミッショニング

向電磁石で 180 度のアークを構成した (図 11)。偏向電3

磁石間に対称に 3 台づつの四極電磁石を入れる設計とし3.1

た。アクロマートかつアイソクロナスを満たすため, 独
立な 2 つの条件を与えることになるが, 対称性を仮定して四極電磁石の調整ノブは 3 つなので, 自由になるパラメータは残り 1 つである。

ビーム運転の概要

2013 年 3 月までに, まず入射器およびビーム診断ライ
ンの建設が完了した。2014 年 4 月 22∼26 日, 途中に連休を挟み 5 月 13 日 ∼ 6 月 28 日の計 8 週間で, 入射器

ビームコミッショニング運転を行った。この期間は, 週末および深夜は冷凍機を停止する運用形態としたため,
月曜日終日と, 火 ∼ 金曜日の午前中は空洞を再冷却する

時間となる。運転日は午後から空洞の立ち上げを行い,

夕方から午後 10 時までが実際のビーム運転となった。
ここでの目標は, まずビームを使って一通りの装置の動作確認を行うこと, 次に入射器のビーム性能を測定し調整すること, である。
電子銃が 390 kV, 入射器空洞が 7 MV/m (実効加速長 0.23 m×3 台) なので, 入射器のビームエネルギーは

図 11: アーク部の設計。偏向電磁石間の 3 台の四極電磁石でアクロマートかつアイソクロナスの条件にする。

5.5 MeV (申請上 6 MeV) である。
ビーム調整は, 基本的にビームラインに沿って配置されているスクリーンモニタを使って行った。大電流連続ビームを損失させて測定することはできないので, バー
ストモードと呼ぶ, 調整用のビーム構造で運転を行った。

7211

これは, 電子銃や加速空洞は CW 運転で, 電子銃フォトの領域ではまだ光速度に達しておらず, エネルギーと同カソードの励起レーザーだけをマクロパルスに切り出時に到達時間が変化するので, 上流から順に位相調整をして間欠運転し, バースト状のバン 列とするものであする必要がある。加速空洞下流の空芯ステアリング電磁る。具体的には, バン

石を変調動作させ, その下流でのビーム位置をスクリーの基本繰り返しは 1.3 GHz, マ

クロパルスは時間幅 1 µs (1300 バン) で繰り返しは
5 Hz, の構造とした。はじめは, 典型的にバン 電荷を
10 fC/bunch 程度の低電荷運転で行った。この条件では
空間電荷効果が無視できるので, ビームの応答を予想し易く, 最初の段階での機器の確認に適している。
運転 1 週目は, 電子銃からビームを取り出し, 入射器加ンモニ で測定し, ビームエネルギーの指標とした。空洞位相をスキャンし, ステアリング電磁石でのキックが最小となる点から最大加速位相が決定できる。この手続
きを上流空洞から順に行い, 3 台の空洞をオンクレスト
条件に調整した。実は, 2 台目と 3 台目の空洞は共通のを確立した。連休後の 2 週目に, もう一度輸送調整のおRF 源で駆動する, ベクトル和方式の構成にしていることから, 個別の位相調整に手間取ってしまったが, 最終
的にはうまく条件を合わせることができた。ビームエネ

さらいをし、マクロパルス時間幅を伸ばして平均電流をルギーは 5.6 MeV と評価され, 予定通りの加速が出来て上げる試験を行った。3 週目には, この平均電流を上げいることが確認できた。

速空洞の加速位相を調整して, ビーム ンプまでの輸送た運転で放射線施設検査を受け, 規定のビームパワーでバン ャー空洞は, 平均のエネルギーは変えずにバン

安全上問題無く運転できることを示して検査に合格する

内でのエネルギー勾配をつけるため, ゼロクロス位相

ことができた (2013 年 5 月 23 日)。4,5 週目に, スリットに調整する必要がある。バン

スキャナや偏向空洞などの, ビーム診断装置を立ち上げ,

反対側では収束の, 効果があるので, これを指標に位相

圧縮の位相では発散の,

また, それまではパワーを入れていなかったバン ャーの調整を行った。その後, 偏向空洞によるバン 長測定

空洞の使用も開始した。運転期間の最後の 3 週間では,を行い, 正しくバン 圧縮位相になっていることを確認

バン 電荷を段階的に 7.7 pC まで上げ, ビームオプティ

した。

クスもそれに対応するものに調整し, 空間電荷効果の影
響下でのビーム輸送の試験を行った。

ビーム軌道の調整は, 全てビーム応答から行った。ソレノイドと四極電磁石については, 磁場強度を変調してもビーム位置が変動しないよう, 軌道調整を行った。こ

3.2

れによって, 磁場分布の中心に軌道を合わせることが出

ビーム調整

来る。バン

ャーと 1 台目の加速空洞についても, RF

電子銃で生成されるビーム分布は, フォトカソードに位相を変調し, 下流のビーム位置が変動しないよう, 軌

照射される励起レーザーによって決まる。レーザーパル

道調整を行った。(ただし, バン ャーと 2 台目のソレノ

スを空間的にも時間的にも整形して, 電子銃の初期ビー

イドについては, ステアリング電磁石が共通のものしかムを一様な密度分布になるようにしている。これは最大無く, バン

電子密度を下げて空間電荷力を抑えると同時に, 発散力

から軌道調整することで, 誰が調整を行っても再現性良を一様化, 線形化して, エミッ

くンスの悪化を抑えるた

ャーを優先で軌道を決めた。) ビーム応答

ンプまでビームを輸送できる手順が確立している。

めである。レーザーのパラメー は, 空間電荷効果を入れた計算機シミュレーションによる最適化計算によって

3.3

決めた。
電子銃から加速空洞までの低エネルギー部には, 2 台

ビーム性能の測定

入射器コミッショニングの最後の 1 週間までに全てのソレノイド電磁石と, バン ャー空洞がある。ソレノの機器が立ち上がり, 診断ラインにおいて目標のバン

イドは, 電子銃から発散ぎみに出射されるビームに収束

電荷 (7.7 pC/bunch) でビーム性能を測定できる状態に力を与えて輸送する役割である。ビームを収束して位相なった。ある決まったビーム調整パラメー において, エ

空間上での分布を一度反転させることで、輸送路全体とミッ ンスとバン 長とエネルギー拡がりの測定を行っしての空間電荷効果を相殺することができ, エミッ ン

た。最初の目標とした, 1 µm を下回る規格化エミッスを保った輸送の為に重要な役割を持つ。バン ャー空

ンスを確認することはできたが, シミュレーションによ洞は, 1.3 GHz の常伝導空洞である。ゼロクロス位相でる数値に比べて, 電荷依存性が強く測定値が大きい。ま使用し, 電子バン 内に時間に依存したエネルギー勾配

た, バン 電荷を上げるにつれてプロファイルが歪む現を与える。引き続く加速空洞までの輸送のあいだにバン象が観測されており, 空間電荷効果がまだ良く制御でき

後半が前半に追いついて, バン

圧縮される。

ていないと思われる。

入射器加速空洞の 3 台の独立な空洞それぞれの位相を

この期間の運転はここで時間切れとなり, 再開後は周調整する必要がある。この段階では簡単のため 3 台とも回部のコミッショニングに集中することになって, 現在

最大加速位相 (オンクレスト) に合わせる方針とした。こに至っている。今後, 入射器の精密調整を続けて行く。

8212

周回部のビームコミッショニング

44.1

ビーム運転の概要

周回部の建設が完了し, 2013 年 12 月から cERL 加速
器の全体運転を開始した。この時点では機器が完全に整

5∼6 月のビーム運転では, 今後のレーザーコンプトン
光源 (Laser Compton Scattering Source; LCSS) の試験に向けたビーム調整などにも手を付けている。最後の 1
週間には, バン

備できた状態では無かったが, 年末休止の前に 12 月 16

電荷を上げた運転も行った。

日からの 1 週間だけまずビーム運転を行った。年明け後

4.2

ビーム輸送の確立

は 2014 年 1 月 30 日 ∼ 3 月 14 日の 6 週間, そして, 5 月

4.2.1

軌道の確立

19 日 ∼ 6 月 20 日までの 5 週間で運転を行った。この期
間は, 冷凍機を 24 時間運転したおかげで日々の再冷却の時間が節約できた為, 週 5 日で 13 時から 22 時頃までを
ビーム運転することができた。
現状では主加速空洞の加速勾配は 8.5 MV/cav で運転している。合流部の運動量比は固定なので, 周回部の周回部の電磁石の電流値を設計に従ってセットし、ビー
ムの輸送を開始した。ビームエネルギーが低い為, 環境
磁場によって簡単に数 10 mm も軌道が変わってしまう。
このような条件では, 密にビーム位置モニ が無ければビームを見失ってしまう。最初のビームコミッショニン
グにおいて最も信頼できるビーム位置モニ は, 電磁石

ビームエネルギーに対応して入射ビームエネルギーをである。任意の四極電磁石の変調によってビーム位置が再設定する必要がある。入射ビームは運動エネルギー

動かないように軌道を調整するのが確実である。この手

2.4 MeV, 周回ビームの運動エネルギーを 19.5 MeV と決めた。ビームエネルギーが低くなると, 残留磁場などの影響を受け易くなるし, 空間電荷効果の影響も大きく

順で, 上流から順に電磁石をつなぐことで, 自然に最後まで軌道が確立する。

なり, ビーム性能の面でも不利である。また, 速度が変る領域の調整は注意を要する。電磁石の効果はビームエ

わって イミングが変わるので, 入射器の位相調整をやネルギーに依存するので, この領域の電磁石は原則的にり直す必要もある。

12 月の 1 週間の運転は, 出来るだけ先までビームを通してバグ出しをする, というつもりで行った。最初の2 日間で入射器から合流部までの調整を行い, 3 日目からは主加速空洞を通過させた。すぐに, 加速が確認され,設計のエネルギーでアークを通過した。プロファイルは酷い状態ではあったが, 第 2 アークの出口までビームを確認することが出来た。残りの 2 日で, 減速して ンプ
ラインでビームを確認するところまで行きたかったが,2 ビーム共通のラインでの調整が難航し, 年内は時間切れに終わった。ともかく, 電磁石の結線ミス, 合流部での漏れ磁場の問題, などのバグが出て, 年明けからのコ

合流部と分岐部の間の, 2 つのビームが共通に通過す

低エネルギービーム調整用のものとして扱う。このため,一周したあと主加速空洞に向かうビームの調整は, 低エ
ネルギービームに影響しないよう, 合流部よりも上流から行った。
減速後のビームは, 主加速空洞を発散ぎみに出てくる。
これは空洞の端部電場が, 加速時には収束力として, 減速時には発散力として働く為である。加速の場合は, エネルギーが上がると同時に自然に絞られたビームになるので扱い易い。しかし, 減速の場合は発散するので, 主加速空洞直下の 4 連の四極電磁石で収束効果を与えるよ
うに設計されている。ただし, 周回し減速後にこれらを調整すると, 周回前のビームにも影響してしまう。周回

ミッショニングに備えることが出来た。

後に微調整しても周回前のビームへの影響が少ないよう

1 月から再開したビーム運転は, やはり最初の 3 日間
で入射器を調整した。合流部の運動量比の開口に出来るだけ余裕をもつため, 入射エネルギーをより正確に調整に, 周回前のビーム軌道を磁石中心に合わせておくことが, 調整上重要である。

するようにした (設計で 1 : 7 のところを, 12 月は 1 : 6
でやっていた)。低エネルギー部で, 真空計起因の漏れ磁

4.2.2

位相の調整

場がビームプロファイルを歪ませる原因となっていたの

今回の運転では, 主加速空洞は最大加速位相 (オンク

で, 次の 2 日間でその対策を行った (真空計の磁石部をレスト) で使用した。第 1 アーク最初の偏向電磁石後の取り外した)。ようやく, 2 月 6 日に主加速空洞の位相調

ビーム位置をスクリーンモニ で見てエネルギーの測定

整から行い, 一周の軌道調整をすると, そのまま

ンプ

ラインで減速されたビームが確認できた。

を行った。2 台の加速空洞の位相をそれぞれ微調整し, 最大エネルギーになる条件に決めた。
周長が正しく調整されると, 最大減速位相でビームが1ヶ月かけて, オプティクスの確認とマッ ングの調整が進み, 小さなビームサイズで損失を抑えて輸送できるようになった。3 月 7 日に規定の電流で放射線施設検査

ンプ分岐部の下流のスクリーンモニ では, エネルギーを受け, 今回の申請である最大 10 µA で施設として安全によって軌道が変化する。ビーム位置を測定しながら,上問題が無いことを示すことができた。

周長調整を行った。図 12 は第 2 アーク頂点軌道による再通過し, エネルギーが最小になって ンプに向かう。

9213

周長調整ノブをスキャンした結果である。減速後のエネ

漏れださないはずである。ビームが輸送できるように

ルギー極小点が確認され, ERL 型加速器として動作してなってまず確認したのは, アーク下流での分散関数の様いることが示された。

子である。第 1 アークを通過してから下流に向けて, 分散が発散していき, 非常に大きな値になっていることが分かったので, アーク内部の四極電磁石を微調整した。
アーク部のオプティクスでもう一つ重要な点は, アイ
ソクロナスの設計である。アーク内部で分散を反転する設計になっていることから, アーク頂点での分散の値がこれを反映することになる。分散を測定し, 四極を対称に微調整して, 設計値に合わせた。
運転の後半では, BPM によりビーム軌道がモニできるようになり, オプティクスの診断が効率的に行えるようになった。任意の位置でビーム軌道にキックを与え
図 12: 周長の微調整と減速の確認。周長を変えながら,て, 下流での軌道振動を測定し, 設計と比較することが減速後のエネルギーを測定した。極小点においてエネルできる。概ね理解されてきたが, 周回部後半で誤差が蓄ギー回収が最適化されている。

積してくること, 水平垂直の混ざり込みが見られること,などまだ解決する必要がある。

4.3

周回部ビームオプティクスの確認

4.3.1

オプティクスマッチング

ひとまずビームを一周させて ンプまで輸送することは出来た。しかし, この段階では輸送途中のビームプロ
ファイルは設計のものとは大きく異なっており, 周回部
後半になると クトの開口ぎりぎりでなんとか通しているという状態であった。電磁石の強さの誤差や環境磁場の影響が積み重なり, 設計からずれていった結果である。
ビームが大きく拡がった箇所が出来てしまうと, 非一様な環境磁場の影響を受け易く, ガウシアンとは似ても似つかないプロファイルを作ってしまう。そうなってしまうと, 下流でビームをまとめるよう調整しようとしてもどうにもならない。
上流から順番にオプティクスマッ ングと呼ばれる手

4.4

周回部ビーム性能の確認

ERL でビームを実際に使う (衝突させる, 放射光を出す, など) のは, 周回部である。周回部におけるエミッ
ンスやバン 長などのビーム性能を確認することは, 重要である。エミッ ンスの評価は, 四極電磁石でビームを絞りながらスクリーンモニ

でサイズを測定する, ウェ

ストスキャンの手法で行った。低バン 電荷運転時には,入射器のエミッ ンスを維持して輸送できていることが確認できている。ただし, 高バン 電荷 (7.7 pC/bunch,
1.3 GHz で 10 mA 相当) 運転時には, まだビーム調整ができておらず, 明らかなエミッ ンスの劣化が見られている。高バン 電荷では空間電荷効果によって条件が変わるため, まだオプティクスマッ ングが十分にできていないと思われる。

順を行った。これは, ある四極電磁石の強さをスキャンして, その下流でのビームサイズの応答を測定し, 設計のものに一致させようとするものである。調整にはその4.5

エネルギー回収動作の確認と空洞性能

上流の 4 台の四極電磁石を用いる。それぞれについて,エネルギー回収をビーム負荷から直接的に証明する

その強さの微小変化から測定点への線形応答を実測してための試験を行った (図 13)。
“ ビーム負荷運転 (beamおき, その組み合わせでビーム応答を設計のものに調整
メー を 4 つのノブで合わせられる。ただし, これはあloading test) ”は, 2 つある主加速空洞のうち, 上流空洞で加速し下流空洞で減速するスキームで, ビームを周回せずにビーム ンプへ導く。つまり, それぞれの空洞に

くまでも線形モデルなので, 現状と設計値のずれが微調

ついてエネルギー回収無しの運転時の空洞の振る舞いを整で済む範囲でなければうまく行かない。上流から順番測定する。図の縦軸は空洞への入力 RF パワー (Pin ) とに補正をかけていった結果, 次第にビームサイズが小さ

反射 RF パワー (Pref ) の差の変化量 ∆(Pin − Pref ) でする。水平と垂直についてサイズと発散の計 4 つのパラ

く, またプロファイルもガウシアンに近づいて行った。

4.3.2

周回部ビームオプティクスの確認

アーク部では, 分散の調整が最初の課題である。各アー
クはアクロマートに設計されており, 直線部には分散がある。ビーム負荷運転では, ビーム加速を行う上流空洞
ではビームに RF パワーを与えるため ∆(Pin − Pref ) が正に, ビームを減速する下流空洞ではビームから RF パ
ワーをもらうため ∆(Pin − Pref ) が負になる。一方で“ エネルギー回収運転 ”では, ビーム有り/ 無しにかかわ

10
214

らず, ∆(Pin − Pref ) に変化が見られない。このことから, エネルギー回収がなされていることが確認できる。

のエネルギーに達することができ, 将来の大規模施設を小型化できる可能性がある。

ERL は大電流化して始めて意味を持つ。プロジェク
トは 100 mA の運転を掲げて開始したものの, 様々な制約から現状の機器構成は必ずしも対応できるものになっていない。段階的にビーム電流を増強しながら, 改良を続けて行く。

5.2

謝辞

cERL は 2006 年からプロジェクトがスタートし, 具
体的には 2009 年から建設を開始したが, 設計から建設に至り, 今回のビームコミッショニングにて, 無事エネ
ルギー回収の成功に至るまでに, 国内外から多くの共同研究者が携わっている (KEK, JAEA, 東大, 広島大, 名古屋大, 総研大, 分子研, 産総研, 山口大, JASRI, KNU,
図 13: (上)”エネルギー回収運転 (Energy recovery test)”
および”ビーム負荷運転 (beam loading test)”のスキーム。(下) 主空洞の入力 RF パワーと反射 RF パワーの差の変化量 ∆(Pin − Pref )。cavity1 および cavity2 はそれ

ぞれ上流および下流の超伝導空洞を示す。

CERN)。携わった多くの皆様に感謝したい。
超伝導空洞の設置に至るまで KEK 内の超伝導リニ
アック試験施設棟 (STF）にて, 空洞の表面処理, 組立及び性能評価試験を STF の方々に手伝って頂いた。また,「量子ビーム基盤技術開発」のサポートを頂き, 無事ビー
ム運転まで可能になりました。サポート頂いた方々にこ

主加速空洞では, ビーム運転中にも時折, フィールドエ

こに深く感謝いたします。

ミッションによって放射線量が増加することがあった。
その場合には, パルスエイジングと呼ばれる対策で, 放射線量を半減させる手段が確立し, cERL の安定運転を実現している。

おわりに

5
5.1

今後の展望

cERL は建設期を終えようやく加速器の体を成し, 施
設検査を通過した段階で, これから本来の試験が開始できる。今後のビーム試験を通して, 大規模 ERL に向けた課題が明らかにされていくことであろう。
もちろん試験加速器としての目的が第一であるが, 建設にあたっては利用施設としての可能性も検討してきた。
一つは, レーザーコンプトン散乱による光源 (LCSS) としての利用である。単なる実証試験で終えるのではなく,短パルス性と点光源性を生かして, KEK 敷地内の放射光リングと差別化し, 真に利用価値のある光源に成り得るか検討する必要があろう。もう一つは, バンチ圧縮運
転で実現できる短パルスビームからコヒーレント放射を発生させるテラヘルツ光源である。将来の FEL 施設に向けての試験やバンチ長の診断を進める過程で, 光源の開発も進められる予定である。
周回部を 2 ループ構成とし, 主加速空洞を 2 回加速の
2 回減速で使用する, マルチループ ERL の試験も検討されている。運転が複雑になるが, 同じ主加速空洞で 2 倍

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[2] O.A. Shevchenko, et al., Proceedings of
FEL2012, Nara, Japan[3] D. Douglas, et al., Proceedings of IPAC2012,
New Orleans, USA.
[4] www.classe.cornel.edu/Research/ERL/PDDR.html[5] KEK Report 2012-4[6] O. Bruening and M. Klein, Mod. Phys. Lett. A
28 (2013) 1330011[7] V. Ptitsyn et al., Proceedings of IPAC2011, San
Sebastian, Spain[8] R. Hajima et al., Nucl. Instrum. Meth. A 507(2003) 115-119[9] 羽島良一, 中村典雄, 坂中章悟, 小林幸則 編集,
KEK Report 2007-7/JAEA-Research 2008-032.
[10] R. Nagai et al., Rev. Sci. Instrum. 81, 033304(2010).
[11] E. Kako et al., Proceedings of IPAC2013, Shanghai, China (2013) 2340-2342[12] M. Sawamura et al., Phys. Rev. Special Topics Accel. and Beams, Vol. 13 022003 (2010)[13] K. Umemori et al., Proceedings of IPAC2013,
Shanghai, China (2013) 2349-2351