SPring-8 angstrom compact free electron laser

SACLAにおける極紫外線 FEL 整備計画
稲垣 隆宏、大竹 雄次、原 徹、田中 隆次、櫻井 辰幸、近藤 力、前坂 比呂和、
大島 隆、渡川 和晃、安積 隆夫、牧 伸行、矢橋 牧名、田中 均（独）理化学研究所 放射光科学総合研究センター XFEL研究開発部門
木村 洋昭、安積則義、備前輝彦（財） 高輝度光科学研究センター
2013年8月5日

日本加速器学会年会（名古屋大学）

概要• SCSS試験加速器 （2005～2013年）• SASE型FELの実証試験機• 極紫外（EUV） FEL （λ=50～60nm）• HHGシード化も実現• SACLA （2011年～）• X線FEL （λ=0.06～0.2nm）• 年間7000時間運転• ユーザー利用3150時間• SCSS+計画 （目標2014年～）• SCSSをSACLAに移設、増強• “試験”加速器 → EUV-FELの利用を目的とする。

SCSS試験加速器
500 kV• 2005年 建設
熱電子銃• 2006年 FEL増幅 （λ=49 nm）• 2007年 FEL強度の飽和安定性の向上• 2008年 ユーザー利用開始
HHG型シード （λ=160 nm）• 2011年
HHG型シード （λ=61nm）

プロトタイプ機としての目的を達成• 2013年5月 運転を終了
総運転時間： 約12,000時間（ユーザー運転 約4,000時間）

バンチャー空洞

Cバンド
加速器

真空封止型アンジュレータ
EUV実験棟SCSSの性能
電子 エネルギー

250 MeV

ピーク電流

300 A

電子バンチ長0.7 ps (FWHM)

スライスエミッタンス

0.7π mm mrad

繰り返し

最大 60 pps

Cバンド加速電場

37 MV/m

アンジュレータ周期長15 mm

FEL波長50 ~ 60 nm

パルスエネルギー~ 30 µJ @60 nm
最近は 10~15 µJ

パルス毎変動~ 10% (STD)
最近は 20~30%波長スペクトル幅0.6 % (FWHM)

PRST-AB 12, 070701 (2009)
渡川 2009年 加速器学会

SCSS 60 pps連続運転試験• フルパワーでの連続運転を行い、SCSS+に向けての問題点を確認

2時間の集計
平均 強度= 12.7 µJ/pulse
パルス毎変動 = 28%○ 56時間に渡って、FEL発振を継続
FEL強度（パルス毎）○ 30pps→60ppsで、加速空洞の設定温度を変えるだけでほぼ再現。

波長 61 nm

100パルスの平均○ 機器の故障は無し。
△ 一部のモジュレータの油温が48℃に到達 ⇒冷却の強化
× 電子銃電圧と電子エネルギーの変動が大 ⇒インバータ充電電源と、タイミングRF系を更新

60 Hz運転 56時間

SCSS 加速器の変動

電子銃 カソード電圧• 中心値のドリフト ～１％⇒ ダミー管の熱膨張
SACLAは0.01%• パルス毎変動 ～0.5%⇒ インバータ充電電源の安定性不足
BCでの電子エネルギー• ドリフト ～0.5%⇒ タイミング・RF系のドリフト？
• パルス毎変動 ～0.3%

変動幅～0.5%p-p（BPMの不感帯）

変動幅～0.3%p-p

極紫外線FEL施設「SCSS+」計画• SCSS試験加速器を、SACLA光源棟に移設。
• SACLAのBL1に入射、アンジュレータを共用。SACLA実験棟にFELを供給。
• 制御系、タイミング系をSACLAに統一。
• SACLA制御室から24時間運転。保守性の向上。
• SACLAとの同時運転も可能。

想定する運転パラメータ
SCSS

SCSS+

SACLA

250 MeV

420 MeV

8 GeV

電子ビーム
エネルギー

（最大拡張 1.4 GeV）

電荷

～ 0.3 nC

～ 0.3 nC

～ 0.3 nC

ピーク電流

～ 300 A

～ 500 A～ 3,000 A

繰り返し

最大 60 pps

最大 60 pps

最大 60 pps

周期長15 mm

18 mm

18 mm

K値

最大 1.5

最大 2.1最大 2.1

50～60 nm30～40 nm0.06～2 nm

アンジュレータ

FEL
波長（3～4 nm）

エネルギー10～30 µJ/pulse～100 µJ/pulse～400 µJ/pulse

SCSS+ 加速器の構成
••
•
•
•

BC1まではSCSSをそのまま移設。
Cバンド加速器を1台追加、エネルギー 250MeV → 420MeV
アンジュレータは、SCSSのもの2台を、磁石列を交換して使用。
まずはSASE型FEL。 シード化等も今後、検討。
将来は1.4 GeVまで拡張可能。 Cバンド加速器とC補正空洞を追加。

Cバンド加速器 完成イメージ
モジュレータ
制御ラック

クライストロン

パルス圧縮器Q磁石、ビームモニタ

遮蔽壁
1.5 m

1.8 m 加速管 6本

安定性、保守性の向上（１）
重要な部分は、SACLAに準じたものに改造する。
• タイミング、基準RF系• 位相安定化光ファイバー、温度安定化• 水冷ラック• 高精度 低電力RFシステム

水冷ラック ＆低電力RFシステム• パルス電源（モジュレータ）• 高精度（0.01%）インバータ充電電源• 受電AC電圧の安定化
SACLAクライストロンギャラリ• PLCを用いた制御システム• 省配線、改造が容易• FL-netで上位制御系（MADOCA）と接続

PLC制御
システム

インバータ充電電源

安定性、保守性の向上（２）• 加速空洞の冷却水• 0.01℃精度での精密温度調節システム• バンチャー空洞に関して、電熱ヒータのDC電源化 （漏れ磁場の影響）• 入射部の地磁気対策• 残留磁場の消磁• 地磁気補正コイルの設置• フィードバック制御• RF位相• 電子ビーム軌道• 電子ビームエネルギー• ・・・・

地磁気補正コイル

SACLA入射部

SCSS+ 建設スケジュール• 加速器の設置は、SACLAの停止期間中（今夏＋来夏）に。
• 来年度中の運転開始を目指す。

SCSS試験加速器の解体
6/29 加速管の搬出

5/31 運転終了

7/16 入射部を撤去した後

7/16 クライストロンギャラリ跡

SCSS+ 設置開始BL1アンジュレータ

BL3アンジュレータ

Sバンド
APS加速管
476 MHzブースター空洞238 MHzプリバンチャー空洞

SACLA 振分け部

SCSS+ クライストロンギャラリ

タイミング、基準RF信号用
光ファイバー（恒温ダクト入り）

約40m
電子銃電源 1台
IOT 1台クライストロン 4台
制御ラック 約40台

導波管の貫通穴開け

約50m
クライストロン9台
増設可能

まとめ• プロトタイプ機： SCSS試験加速器 （2005～2013年）••••

SASE型FEL発振の実証
電子銃、Cバンド加速器、真空封止アンジュレータ、などの実運転
FEL利用技術、シード型FEL光源の開発
安定性の悪化、経年劣化。

• 極紫外線（EUV） FEL施設：
••
••
•
•

SCSS+SACLA光源棟 BL1に設置。
電子エネルギー 420 MeV、 FEL波長 30～40 nm。
（将来的には、1.4 GeV、3～4 nmまで拡張可能）
SACLAと同様の安定性、信頼性を実現。
SACLAと同時運転も可能。
来年度中の運転開始を目指す。