コンパクトERLのコミッショニング状況とビーム利用に向けた取り組み

高エネルギー加速器研究機構 加速器研究施設
高井 良太

第12回日本加速器学会年会, 敦賀, 2015/8/7, FROM03

コンパクトERL開発チーム
高エネルギー加速器研究機構 （KEK）
足立 伸一，阿達 正浩，赤木 智哉，明本 光生，荒川 大，荒木 栄，浅岡 聖二，江並 和宏，遠藤有聲，福田 茂樹，古屋 貴章，芳賀 開一，原 和文，原田 健太郎，本田 融，本田 洋介，本間 博幸，
本間 輝也，細山 謙二，穂積 憲一，石井 篤，金 秀光，加古 永治，神谷 幸秀，片桐 広明，河田洋，小林 幸則，小島 裕二，近藤 良也，小菅 淳，久米 達哉，松本 利広，松村 宏，松下 英樹，道園 真一郎，三浦 孝子，宮島 司，宮内 洋司，長橋 進也，仲井 浩孝，中島 啓光，中村 典雄，中西功太，中尾 克己，濁川 和幸，野上 隆史，野口 修一，野澤 俊介，帯名 崇，尾崎 俊幸，Qiu Feng，
下ヶ橋 秀典，阪井 寛志，坂中 章悟，佐々木 慎一，佐藤 康太郎，佐藤 昌史，設楽 哲夫，篠江 憲
治，島田 美帆，塩屋 達郎，宍戸 寿郎，清宮 裕史，高井 良太，多田野 幹人，田原 俊央，高橋 毅，
高木 宏之，田中 織雅，竹中 たてる，谷本 育律，照沼 信浩，飛山 真理，土屋 公央，内山 隆司，
上田 明，梅森 健成，浦川 順治，渡邊 謙，山本 将博，山本 康史，矢野 喜治，吉田 光宏

日本原子力研究開発機構 （JAEA）
羽島 良一，松葉 俊哉，森 道昭，永井 良治，西森 信行，沢村 勝，静間 俊行

広島大学
栗木 雅夫

総合研究大学院大学
Cenni Enrico

Kyungpook National University （KNU）
Hwang Ji-Gwang

コンパクトERL （cERL）とは？
 ERLベースの将来光源のための試験加速器
 大強度・低エミッタンス・短バンチ・高繰り返し
ビームの生成，加速，輸送，エネルギー回収 2013年12月に建設完了

1st Arc

Main Dump

Recirculation Loop
Main Linac

MergerInjector Linac
2nd Arc
Photocathode DC gun

Circumference: ~ 90 m(c)Rey.Hori/KEK

Parameter

Design Value

Beam energy

35 MeV

Injector energy

5 MeV

DC gun voltage

500 kV

ML acc. gradient

15 MV/mBeam current

10 mA

Norm. emittance< 1 mm∙mrad

RMS bunch length

1 - 3 ps

RF frequency

1.3 GHz完成したコンパクトERL
主ダンプ

主空洞
入射空洞

周回部
入射ビーム
診断ライン

電子銃

第２アーク

建設期間

これまでの歩み（2012年以降）
2012

2013

コミッショニング期間

2014

2015

前回の報告

加速器室の建設

現在

入射部の建設2015/480-mA CWに成功

入射部のコミッショニング

2015/3
LCSによるX線発生に成功

周回部の建設周回部のコミッショニング

2013/12cERL全体でのコミッショニング開始

LCSシステムの建設

2014/2
平均電流6.5 mAでのCW運転に成功

前回の報告以降の２大ミッション

2015/230-mA CWに成功

LCSシステムのコミッショニング 10 mA→100 mAへの電流増強
 LCS実験用オプティクスの確立

平均電流の増強

平均電流の申請値と達成値
 施設で扱う最大ビーム電流の申請値を段階的に更新 （当面の目標：10 mA）
 変更申請の承認には申請値の約３割にあたる出力で運転する必要あり
現在
10 mA

1 mA
100 mA

10 mA
1 mA

電子ビームの時間構造
光陰極DC電子銃

 電子ビームの時間構造は電子銃の光陰極に照射する
レーザー光の時間構造で決まる
 mAオーダーの平均電流ではビーム調整の主役となるスクリーンモニターが使用できない⇒ ビーム調整はマクロパルスビームを用いた“バーストモード”で行う
バーストモード

連続（CW）モード
繰り返し1.3 GHz

マクロパルスの繰り返しは5 Hz

st = 1-3 ps
繰り返し1.3 GHz

ピーク電流

拡大

平均電流： Icw = qb frep

Iburst = qb frep  Tp  fp

（qb： バンチ電荷，frep： バンチ繰り返し，Tp： パルス幅，fp： パルス繰り返し）例） qb = 7.7 pC, frep = 1.3 GHz ⇒ Icw = 10 mA， Iburst = 50 nA

CW運転までの調整手順(1) 入射部・入射空洞(3) 主空洞・北直線部(2) 合流部・北直線部• 主空洞のRF位相調整• 主空洞の中心通し• 周回ビームのエネルギー調整• オプティクスマッチング• ４極電磁石の中心通し• 入射ビームのエネルギー調整• オプティクスマッチング• ソレノイドや４極電磁石の中心通し• 可動FCによるビーム電流の確認• 入射空洞のRF位相調整（オンクレスト）• 入射空洞の中心通し• オプティクスマッチング

Beam dump
North straight section

Injector Linac
Dump line

DC GunMain Linac

Dump chicane

Movable FC

1st arc
Path-length control chicane

2nd arc

LCS interaction point
X-ray beamline

South straight section(4) アーク部・南直線部(5) 周回部最下流の調整セクション(6) ダンプライン• ４極電磁石の中心通し• エネルギー分散の確認・調整• オプティクスマッチング• 可動FCによるビーム電流の確認• 主空洞への再入射とダンプラインへの
軌道調整• エネルギー回収の調整• ダンプFCによるビーム電流の確認⇒ このような手順でビームをほぼロスすることなく主ダンプまで導けたらバーストモードからCWモードへと移行する

ビームロスモニター
 ビームロスによる放射線の発生をできるだけ小さく抑えることが重要
 加速器周辺に設置されたロスモニターの出力を注視しながら徐々に大電流へ
 平均電流の値は最上流の電子銃電源と最下流の主ダンプの２ヶ所で同時測定放管設置モニター（Orange Monitor, 6台）

インターロック用ロスモニター（Pure CsI+PMT： 8台）

加速器室内エリアモニター（ALOKA, 10+2台）

診断用ロスモニター（Fiber+PMT： 2セット）
診断用ロスモニター（Tl-doped CsI+PMT： 8台）

ビームコリメータ

アーク部用コリメータ＃４の外観

 水冷した銅製のロッドを上下左右の４方向から独立に挿入可能Top ビームロスの原因となるビームハロー
やビームテイルの除去に利用
Right 下図に示した５ヶ所に設置
 特に低エネルギーセクションに設置した＃１と＃２が有効

e-

Left

 近傍にはCsIシンチレータを用いた高速ロスモニターを設置

Bottom

#2

#3

#1

#4

BPM
DCCT

ScreenCT
Collimator#5

ビームロス調整
 ビーム電流に影響を与えない（ビームコアを削らない）範囲でビームロスが最小となるよう各コリメータの挿入量を調整
Beam current
at dump

Collimator position

for operation

Loss monitor(Fiber)平均電流 80 mA を達成
 2015年2月に 30 mA を達成 ⇒ 最大100 mAの施設検査に合格
 2015年4月に 80 mA を達成（LCSオプティクス，バンチ電荷： 0.5 pC，バンチ繰り返し： 162.5 MHz）
 加速器室周辺で観測される放射線量も問題なし（最大0.6 mSv/h）⇒ 次回の1 mAへの電流増強に向けて明るい見通しが得られた

Average beam current [ mA]

 ただし、CW運転中にゆっくりとしたビーム軌道のドリフトが発生
100
80
60
40

Collimator tuning

20
0
20:30

E-gun
Dump

21:00

21:30

22:00

Time

22:30

23:00
※このデータは2015/6に取得したもの

軌道ドリフトの原因
 電子銃のレーザー導入に使用しているミラーのチャージアップと推定
 次回のコミッショニングまでに金属ミラーに交換予定
レーザー導入チェンバー内部
CW運転前後におけるビーム位置の変化
beforeLaser入口

after

e電子銃側

入射空洞側

Laser出口LCSによるX線発生実験

レーザーコンプトン散乱（LCS）
Scattered Photon(for head-on collision)

 準単色かつエネルギー可変のX線/γ線が得られる
 高い指向性を持つ
 偏光状態も制御可能（直線・円）
 フラックス [photons/s]：
大電流かつ低エミッタンスのビームを備えるERLはLCS光源として最適

 輝度 [photons/s/mm2/mrad2/0.1%BW]：

X線イメージングや核種の非破壊測定等への利用が検討されている

LCSシステムの整備（2014/9～12）
LCS衝突点 （レーザー蓄積装置，45Wレーザー，クリーンハッチ）

高出力レーザー導波路
X線ビームライン
高出力レーザー （100W，JAEA関西研より移設）
計測キャビン，フォトン実験室

LCS実験のためのビーム調整
 レーザーとの衝突点（IP）でビームサイズを10 mmオーダーまで絞る ビームロスを小さく抑えたまま輸送，エネルギー回収調整技術を確立

衝突点でのビームサイズ（測定値）

sx* = 21 mm, sy* = 33 mm

sx* ~ 13 mm, sy* ~ 25 mm
Beam size at the screen monitor

衝突点でのビームサイズ（計算値）

𝜎𝑥∗

𝜎𝑦∗

K-value of QMLC04

K-value of QMLC04※ IPでのビームサイズはスクリーンの分解能以下である
ため、別途測定した規格化エミッタンスを拘束条件にし、フリーパラメータとしてオフセット項を加えた応答関数を測定データにフィットすることで推定した
計算条件• バンチ電荷： 0.5 pC• 規格化エミッタンス： (enx,eny) = (0.47, 0.39) mmmrad

LCSによる準単色X線の発生に成功
 電子ビームパラメータ(silicon drift detector)

Beam current [mA]58

 レーザー蓄積装置パラメータ

S/N~103
Intracavity power [kW] 10

 実験結果（2015年3-4月のマシンタイム）
光子エネルギー = 6.9 keV
計数率 = 1200 cps @f4.66 mm (*)
発生点フラックス = 4.3 x 107 ph/s (**)(*) Detector collecting angle is 4.66mm/16.6m = 0.281 mrad.
(**) CAIN/EGS simulations with the detector count rate.

escape &Compton continuum+ Brems.
Bremsstrahlung

R. Nagai et al., Proc. IPAC’15, TUPJE002.

LCS X線を利用したイメージング実験
 実験セットアップ

 屈折イメージングの特徴⇒ 吸収と屈折の複合効果でエッジが強調された画像
 実験結果 （露光時間： 10分）

その後も・ イメージング視野の拡大
・ 空間分解能の評価
・ X線エネルギーの可変性
チェック
等々、LCS光源としての性能向上に向けた努力が続けられている
LCSによるX線を使って取得されたススメバチのイメージング画像
A. Kosuge et al., Proc. IPAC’15, TUPWA066.

まとめと今後
平均電流の増強 現在までに最大80 mAでのCW運転に成功
今後も当面の目標である10 mAを目指して段階的に増強される

 LCSによる準単色X線の発生に成功
イメージングの予備実験も行い、高精細のX線画像を取得
電子ビームと蓄積レーザー双方からX線強度の増強に努める
 高バンチ電荷のビームを低エミッタンスのまま輸送するためのマシンスタディも進行中

 大強度テラヘルツ光源に向けた準備も着々と進んでいる

ご清聴ありがとうございました

LCS実験

低エミッタンス輸送

バンチ圧縮

Backup Slides

cERL関連の発表リスト（一部）
ビーム調整・マシンスタディ：• 宮島司他，“電子線形加速器における低エミッタンスビーム輸送路光学系の最適化試験”, THP017• 中村典雄他，“コンパクトERLにおけるコヒーレントテラヘルツ放射発生のためのバンチ圧縮・復元の研究”, THP018• 島田美帆他，“cERL周回部のオプティクス測定”，THP019• 田中オリガ他，“ビームロス研究のためのKEKコンパクトERLにおけるビームハロー伝播と緩和”，THP020
電子銃• 西森信行他，“コンパクトERL電子銃の現状とアップグレード計画”，WEP037
RF源・超伝導加速空洞• 三浦孝子他，“cERLのRF安定度”，THP110• 山田浩気他，“cERL入射器クライオモジュールのビーム運転状況”, WEP051• 沼田直人他，“cERL主加速器クライオモジュール運転の現状”，WEP050• 篠江憲治他，“ヘリウムプロセスを用いたERL主加速超伝導空洞の性能回復試験”，WEP046• 江木昌史他，“cERL主空洞の振動モード測定”，THP055
ビームモニター・電磁石・インターロックシステム• 下ヶ橋秀典他，“cERLにおけるインターロック用高速ロスモニタシステムの開発”, THP083• 本田洋介他，“cERLビーム運転時の放射線分布の簡易測定”，THP087• 本田洋介他，“cERL周回部におけるバンチ長の測定”, THP088• 本田洋介他，“cERL入射器超伝導空洞の高次モードによるビーム位置測定”, THP089• 上田明他，“cERLシケイン用偏向電磁石の設計と製作”，WEP075• 濁川和幸他，“cERLでのLCS実験用ビームラインのインターロックシステム”，THP103
LCS・ビーム利用• 羽島良一他，“レーザー・コンプトン散乱による高輝度ガンマ線の実現とその利用”，WEOM07• 永井良治他，“コンパクトERLでのレーザーコンプトン散乱光源実証実験”, THP113• 赤木智哉他，“レーザーコンプトン散乱による小型高輝度X線源開発”, THP114• 本田洋介他，“cERLにおける共振器型CDRによるTHz光源の検討”, WEP022
将来計画• 宮島司，“ERL を利用した EUV-FEL 光源の設計”，FROM10

コンパクトERLの運転状況
総運転時間： 945時間

10:00

200

Operation time [hr]

周回部調整

LCS建設

LCS立ち上げ各空洞の冷却・エイジング（3 h）

13:00
加速器
立ち上げ
（0.5 h）

150

100

運転休止
（11.5 h）

50

ビーム調整・
マシンスタディ
（9 h）

0
12

2

4

6

8

10 12

2

4

Date
月別運転時間の推移（2013/12～）

6

23:00
典型的な１日の運転スケジュール

レーザー蓄積装置
KEKにて開発（赤木 智哉）
T. Akagi et al., Proc. IPAC’14, p.2072.
A. Kosuge et al., Proc. IPAC’15, TUPWA66.

二本のレーザを同時に蓄積

reflectivity
M1: 99.9%
M2: 99.99%
M3, M4: 99.999%
waist size: s=30mm

162.5 MHz
45W, 1064nm

二種の偏光X線/ガンマ線を同時に（またはパルスごとに）発生可能！

入射空洞のフィールドエミッション増加
 2015年6月に行った5 MeV入射のスタディ中に入射空洞のフィールドエミッションが急増し、最終的には周辺で観測されるX線のレベルが２～３桁上昇した 空洞性能の悪化は最下流の空洞#3から始まり、徐々に上流側へ移った傾向あり
 X線が出始める加速勾配は5 MV/m程度
 原因の究明と再発防止策、フィールドエミッションの抑制対策を進める
Jump#1 Cavity#2 Cavity#3 Cavity
Total : 5 MV
(Ave. 7.0 MV/m)

Jump

Jump

大強度テラヘルツ光源
Flux[photons/s/mrad/0.1%b.w.]

10

アーク部変更電磁石からの放射光スペクトルの例（E=20 MeV）

15

Coherent SR

1013
10

11

109

5 THz

7.7 pC, 130 kHz, st=50 fs
7.7 pC, 130 kHz, st=100 fs
7.7 pC, 130 kHz, st=200 fs
ビーム電流1 mA

107
10

5

1000
1010

Incoherent SR

1011

1012

1013

1014

Frequency [Hz]バンチ長を100 fs以下に圧縮すれば、5 THzまでのコヒーレント放射光が発生可能
連続（CW）で平均強度の高いテラヘルツ光が利用できる
FELとは相補的

大強度テラヘルツ光源に向けたスタディ
 cERLにおけるバンチ圧縮・復元方式

これまでに達成した性能

青色： 達成赤色： 未達成

パラメータ

目標値

これまでに達成した値

ビームエネルギー（周回部）（入射部）

35 MeV
5 MeV

20 MeV
5.5 MeV

平均ビーム電流

10 mA

80 mA

規格化エミッタンス（入射部）[mmmrad]0.1 (7.7 pC)
1 (77 pC)

0.5 - 0.8 (7.7 pC)
未試験

規格化エミッタンス（周回部）[mmmrad]0.1 (7.7 pC)
1 (77 pC)

1.9 - 4.5 (7.7 pC)
未試験

主加速空洞での加速勾配

15 MV/m

8.2 MV/m （実用値）

rms バンチ長

1-3 ps（通常）～ 100 fs（圧縮時）

1-3 ps
未試験

バンチ繰り返し周波数

1.3 GHz

1.3 GHz• 今後も目標性能達成に向けて着実なコミッショニングを継続• レーザーコンプトン散乱（LCS）によるX線発生実験も順調に進んでいる• バンチ圧縮によるTHz-CSR発生実験の準備も進行中