KEK 放射光計画－蓄積リング－

蓄積リング型光源の性能向上
・ 将来光源として、今まで ERL を目指して開発を続けてきた。
¾ ～20keV 程度までの光源を目指す。
¾ 平均輝度 21～22 乗、光束 15～16 乗、多数のユーザーが同時に使え、高安定。
・ ERL 計画提唱当時、SSR(Super Storage Ring)とか USRLS(Ultra Storage Ring Light Source)という極低エミッタンス蓄積リングの概念はあったが、非現実的なものばかりだった。
¾ DBA、TBA で周長を巨大化しただけ、MBA-TME（理論最小エミッタンス）ラティスで 6 極が強すぎて全然回らない非現実的な案。
¾ 通常の DBA、TBA で一部分だけ特殊技術で短パルスや極小丸ビームを実現する案などがあった。
・ ところが、HMBA 型（分散の大きな部分あり（6 極を小さくできる）の MBA ラティス）の登場で、MBA極低エミッタンスラティスが、「回る、使えるラティス」になった！
¾ 世界的に、2010 年頃から、蓄積リング型光源への回帰が見られる。
¾ 中規模の HMBA ラティスの蓄積リング型光源は、短パルス特性を除き、ERL の目標を達成できる。
¾ 加速器としての難易度、コスト、運転経費、想定される安定性など、蓄積リングの方が優れている。性能同等なら、蓄積リングにすべき。
¾ cERL での技術、経験は、短パルス、フルコヒーレントの究極光源である、高繰り返しの X 線 FEL（CW-XFEL）にそのまま繋がり、生かすことができる。
¾ 蓄積リング＆XFEL で役割分担が可能になり、ERL１台ですべてを賄う必要はなくなった。

・ 目標性能は同じだが、よりよい加速器を採用することにしたい。

HMBA とは？

第３世代、新第３世代:
DBA, TBA
分散大きく、６極小さい
アパーチャが広い（直線部色消し）εx: 1～10nmrad
第２世代：FODO セル

HMBA
分散バンプで６極小さい
アパーチャ広いεx: 0.1～1nmradMBA

分散小さい、６極大きい「回らない」ラティス
εx: 0.1～1nmrad

MAX IV は MBA 的なまま（分散大きい箇所を工夫して）、ぎりぎりを追求して回した！

DBA,TBA の様に、いろいろな施設が採用する次世代放射光の標準的なラティス構造になりつつある。

低エミッタンスのまま分散を大きくする為に……

3.1°
0.8m
0.53°
0.35m

曲げ角
大

小2.4°
2m

曲げ角
小大

2.9°
2m

・ 進行方向に磁場（曲げ角）を変える偏向電磁石を採用する。
（Longitudinal Gradient Bend という。)
・ そもそも弱めの磁場でゆっくり曲げる。
・ さらに、分散関数が大きくなりに従い、磁場を弱くしていく。
・ 一定磁場にすると、エミッタンスは 1nmrad を超える。
（２分割した方がましだが、200pmrad 近くまで大きくなる。
）
・ 極低エミッタンスリングでは効果的。

真空封止短周期挿入光源の活用

・ 世界初の真空封止 ID は PF-AR で開発された。
・ 3GeV で 20keV 程度まで出せる挿入光源は世界に広まり、「新」第３世代と言われることもある。
・ PF では看板ビームラインに！
・ 次期放射光でも最大限活用する。

真空封止短周期光源の為の短直線部の挿入
Original ESRF-HMBA

・ PF 同様、分散バンプ内に短直線部を作るのは簡単でラティス構造としては最も無理がない。
・ 分散、エネルギー広がりによる輝度の低下が非常に大きい。さらに、PF 同様、進行方向不安定性が起きた場合に影響が大きい。
・ 5m 直線部同様に、「挿入光源に適した」短直線部をセル中央の分散、ベータとも小さい領域に入れることにした。
・ ラティス構造としてはオリジナルの ESRF から離れ、新たな最適化が必要になる。
（見かけほぼ同じだがビーム力学的には別の解になる。
）

短直線部ありの ESRF 型 HMBA

低エミッタンスを実現する為に、機能結合型偏向電磁石で絞ったオプティクスの領域６極を小さく抑える為の分散関数バンプ

６極間のチューンの進みを半整数にして非線形キックの影響を抑える。（KEKB で開発されたテクニックを ESRF でも採用。）

挿入光源に適した短直線部の挿入

パラメータエネルギー
ラティスの型
周長1.2m 短直線部数
5.6m 長直線部数
セル数
RF周波数
ハーモニック数
RF電圧
バケットハイトエネルギー損失
モーメンタムコンパクション
ベータトロン振動数
減衰時間(x,y,z)
電流値
水平エミッタンス
カップリング垂直エミッタンス
タウシェック寿命
エネルギー広がりバンチ長
パルス幅E [GeV]
C [m]
本
本
セル
fRF [MHz]h
VRF [MV]%
MeV/revα
νx ,νy[ms][mA][pm⋅rad][%][pm⋅rad][h]-4x10mmpsv03_68
3GeV
HMBA (Hybrid Multi-Bend Achromat)
570.7
2020 (入射、RFを含む)
20500.1
952
2.04.00.30-42.2x1048.58, 17.62
29.25, 38.28, 22.63
0 (natural)
500 (with IBS)
132.5
314.7
2.6
8.2
‒
1.8
6.4
7.9
2.7
3.3
9.1
11.1

リング１周のラティスとオプティクス

ノーマルセル

オプティクス（20 セル）

入射用セル

ノーマルセル x 19
入射用セル x 1

運転チューン、チューンシフトとダイナミックアパーチャ

18.2
ダイナミックアパーチャを決める
整数共鳴線。

18.1
νy=18

Vertical tune

18
dY=100σdP=+2.5%

dP=-2.5%

17.9
νx=49

17.8
17.7
X
17.6
17.5
48.5

Y

Z

dX=140σ

48.6

48.7

48.8
48.9
Horizontal tune4949.149.2

入射点での、誤差入りの実寸ダイナミックアパーチャ
3idealideal

14

Vertical dynamic aperture [mm]Horizontal dynamic aperture [mm]16case 1case 2121086case 12.5case 221.5

140.5200-4-3-2-101Momentum [%]234-4-3-2-101Momentum [%]234・ ideal は誤差なし、case1 はガウス分布の乱数誤差で、現状の PF と同じ大きさ、すなわち 1σが据付誤差 50μm、磁場強さの誤差 0.05%、回転誤差 0.1mrad の場合で、case2 は誤差を小さめにして、それぞれ 40μm、0.04%、0.1mrad にした場合。
・ 入射点の光学関数はβx=28m、βy=1.7m、ビームサイズは分散とエネルギー広がりの効果もありで、水平 94μm、垂直 3.7μm となる。入射点の水平内側振幅方向のダイナミックアパ－チャは case1 で 9.6mm、case2 で 10.8mmとなる。
・ 蓄積ビームサイズ 10σで約 1mm、セプタム厚 2mm、今の PF 入射時の LINAC ビーム 10σで 5mm なので、入射点で1mm + 2mm + 5mm = 8mm でダイナミックアパーチャは十分である。

入射スキーム

Septum 厚さ～2mm
蓄積ビームをセプタムで削らない距離～10σ=1mm

入射ビームを捕獲する為のアパーチャ～ ±5σ = 5mm
1 + 2 + 5 = 8mm < 9.5mm

キッカーによるバンプ
～15mm

蓄積ビーム
（周回軌道）

バンプされた蓄積ビーム(サイズ～93μm)

入射ビーム(既存の KEKB LINAC の PF 用ビーム)
1σ～500μm

セプタム内壁までの位置
量子寿命、不安定性などで決まる。例えば 16mm。
内側入射なのでセプタムに対する放射光対策は不要

CDR（作成中）に向けての検討
電磁石
・ ４極電磁石：最大磁場勾配約 50T/m。電磁軟鉄の飽和を避ける為には、磁極ボア直径を 3cm程度にする必要がある。
・ ６極電磁石：特に問題なし。
・ 進行方向に勾配のある偏向電磁石：テーパーで作ることを検討中。
・ 機能結合型偏向電磁石：４極的形状で作り、補正コイルで２極磁場と４極磁場を独立に変えられるようにする検討中。４極内の２極磁場には６極成分が出るので、補正用の薄い６極を併用する。
RF・ PF タイプの常伝導空洞を検討中。
・ PF と比較すると、減衰時間と周長が長い為、不安定性の閾値が厳しくなる。より HOM を抑える為の設計改善が必要。
・ 挿入光源が全数設置されると、放射ロスがリングの偏向電磁石だけの場合の２倍以上になる可能性がある。挿入光源の放射ロスの割合が大きい。
・ ３倍波空洞でエミッタンス増大や不安定性抑制を検討中。単純な空洞ではデチューニング角が大きく、不安定性源になる可能性がある為、超伝導３倍波空洞や RF パワー貯蔵空洞を連結した KEKB の ARES タイプなどの採用を検討中。

真空・ ダクトが細く、不安定性の閾値が厳しく、放射光が集中して出る。非常に難しい設計となるだろうが、原理的な不可能はない。
チャンネル
・ 処理する必要のある放射光のパワーが非常に大きい。現状では PF-AR の基幹チャンネルが約 20kW を処理しており、それを基本に検討中。テーパー状の銅ブロックマスク。
・ 大きさ的には、そのまま図に配置しても配置可能。

典型的なビームサイズ-injection cell

Horizontal beamsize [μm]H 1σ no IBS-

half normal cellH 1σ 500mA

14V 1σ (8pmrad)

1201210010808606404202

Vertical beamsize [μm]half normal cell

140000102030Orbit length [m]405060・ 典型的なビームサイズは、水平 50μm、垂直 5μm。
・ ビーム安定化の目安は、PF ではビームサイズの 1/10 としており、それと同じと考える。
・ 水平 5μm、垂直 0.5μm となる。

ビーム安定化・ BPM の測定精度は、300kHz で 0.3μm、10kHz まで平均すると 0.07μm。
・ BPM 精度と軌道補正の精度、速度はサブミクロン補正が十分可能で問題はない。
・ 最も重要なのは、振動源そのものを抑制すること。
¾ 例えば 1～100Hz の周波数累積では、KEK では 0.1μm 程度の地盤振動がある。関東ローム層では、3Hz に固有振動があり、そのあたりのパワー密度が大きいことが原因である。
（山中の岩盤上ではこれが約 1/100 の 0.001μの桁まで下がる。0.01Hz まで累積すると差はかなり小さくなる。）¾ 建物の杭打ちは不等沈下対策にはなるが、振動抑制にはならない。振動抑制には建物床剛性が効くが、限界がある。また、低い周波数ほど全体が同時に動く振動である。
¾ 結局、0.1μm の振動を「増幅しない」ことが最重要。床→電磁石架台→電磁石磁場→ビーム軌道、と、通常は 100～1000 倍に増幅される。架台と電磁石設置を工夫することで、機械振動の増幅についてはほぼ完全に抑制することが可能。
（ESRF や NSLS II の立地条件はつくばの条件とほとんど変わらない。
） KEKB での補正経験などを考えても、軌道補正でビーム安定化は十分に可能である。
¾ 機械式ポンプや空調など、振動源を床に伝えないことも非常に重要。
・ 加速器要素開発としては、現時点で不可能なものはない。
・ 簡単でもないので、プロトタイプの製作は必要不可欠。
・ これから１年かけて詳細設計を進め（直接入射路等の建設を進めながら）、2017 年度にプロトタイプやテスト機器を製作、2018 年度に測定改良等を行えば、万全の準備完了。

まとめ・ 蓄積リング型光源の設計の向上により、従来 ERL でしか到達できなかった性能に手が届くようになった。
・ 将来計画として、3GeV 周長 570m、自然エミッタンス 130pmrad のリングを設計した。直線部は 5.6m が 20 本（RF と入射を含む）、1.2m の短周期挿入光源用が 20 本。
・ ダイナミックアパ－チャは、誤差あり、COD 補正ありで入射点で約 1cm。入射蓄積、タウシ
ェック寿命にとりあえず問題はない。
・ オリジナルの ESRF の完成度の高さを考慮すると、もっとダイナミックアパーチャを大きくできるはず（タウシェック寿命向上と入射の容易さの向上に繋がる）で、引き続き検討を続ける。直線部の分散も小さくできれば輝度、安定性の向上に繋がる。