Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

STATUS OF R&D EFFORTS TOWARD THE ERL-BASED LIGHT SOURCE
Shogo Sakanaka1,A)

A)

A)

A)

A)

, Yukinori Kobayashi , Kotaro Satoh , Toshio Kasuga , Hiroshi Kawata ,B)C)

Ryoichi Hajima , Norio Nakamura
A)

High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba-shi, Ibaraki-ken, 305-0801
B)

Japan Atomic Energy Agency (JAEA)
2-4 Shirane Shirakata, Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki-ken, 319-1195
C)

Institute for Solid State Physics (ISSP), University of Tokyo
5-1-5 Kashiwanoha, Kashiwa, Chiba-ken, 277-8581

Abstract
Future synchrotron light source based on the Energy Recovery Linac (ERL) is expected to be capable of producing
super-brilliant and/or ultra-short pulses of synchrotron radiation. We are conducting R&D efforts for realizing the ERLbased hard X-ray source under the collaboration between KEK, JAEA, ISSP, and other institutes. We report recent
progress in our R&D efforts including the developments of an ultra-low emittance electron gun and of superconducting
cavities for both the injector and the main linacs.

ＥＲＬ放射光源に向けたＲ＆Ｄの現状
１．はじめに銃を励起するためのCW大電力レーザーの開発も欠かせない。ERL研究開発共同チームでは、これらの要素開発を進めており、近い将来小型のERL試験加速器（コンパクトERL）を建設して、技術実証を行う計画を立案している。本稿では、R&Dの現状、コンパクトERLの設計状況、今後の計画について述べる。

エネルギー回収リニアック(ERL)を利用する新しい放射光源[1]が近年注目を集めている。ERLでは、電子銃で生成した超低エミッタンス・大電流の電子ビームを超伝導リニアックで加速し、ビームを放射光の発生に用いた後、減速してエネルギー回収を行った後にビームをダンプする。この方式は蓄積リ
２．ERL放射光源の概要
ングと異なり、ビームのエミッタンスとエネルギービームエネルギー5 GeVクラスのERL放射光源を目幅が放射励起と放射減衰の平衡で決定されない。し標とする。主要なパラメータを表１に示す。通常型
たがって、電子銃の性能が進歩し、エミッタンス保の 挿 入 光 源 か ら の 放 射 光 輝 度 と し て 1021‑1023
存手法が十分機能すれば、蓄積リングの限界に捕らphotons/s/mm2/mrad2/0.1%bw（at 10 keV）を目標とわれずにビーム性能を進化させる事のできる加速器する。またバンチ圧縮モードにおいて、バンチ長をである。ERLは超高輝度光源、超短パルス光源とし100 fs (rms)程度まで圧縮し、高い繰り返し周波数て期待されるのみならず、共振器型X線自由電子（1 MHz程度）のフェムト秒パルスX線光源としてもレーザー用加速器の可能性[2]についても注目され活用する。さらに今後の研究の進展によるが、ERLている。のビームを用いて共振器型X線FELを実現できる可能
ERLに基づく放射光源は、米国コーネル大学で精性がある[2]。ERL放射光源を活用した最先端の放射力的に開発が進められており[3]、英国ダラスベリ
光科学の研究テーマが検討されている[8]。
研究所でも小型ERL試験施設（ALICE）を建設して研究開発が進められている[4]。米国アルゴンヌ国立
表１：ERL放射光源とコンパクトERLのパラメータ
研究所では、将来計画のオプションの一つとして検討されている[5]。我が国においては、高エネ機構、
ERL
Compact
原子力機構、東大物性研が中心となり、分子研、広光源
ERL
島大学、産総研、名古屋大学、JASRIの各機関からBeam energy
50.065-0.2
GeVの研究者の参加も得て、2006年度から本格的にERL
Injection energy~ 105MeV
放射光源の開発研究を進めている[6‑7]。
Path length
125370m
ERL放射光源を実現するための要素開発としては、 Beam current
10 – 100
10 – 100mA
第１にCW運転可能な高輝度フォトカソード電子銃、Emittance (norm.)
0.1 – 10.1 – 1mm⋅mrad
第２にCWかつ大電流の運転に対応した高電界超伝導RF frequency
1.31.3GHz
加速空洞の開発が重要である。フォトカソード電子
1E-mail: shogo.sakanaka@kek.jp-225-Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

を2個の入力カップラーでドライブする設計を採用した。入力カップラーの定格電力は、余裕を見て最ERL用の電子銃は、バンチ当たりの電荷7.7‑77 pC、 大250 kWまで耐えられる物を開発する。空洞の高次繰り返し1.3 GHz (CW)、規格化エミッタンス0.1‑1
モードカップラーについては、TESLA空洞用に開発
mm⋅mradの電子バンチを生成する必要があり、チャされたものをCW動作に適するように改良を施した設レンジングな要素である。これらを実現するため、計を行った。これらの基本設計を取り入れた2セル負の電子親和力(NEA)表面を用いるフォトカソード空洞を1台試作し、その性能試験を準備中である。
DC電子銃を開発中である。励起レーザーの波長を詳しい情報は[10,11]で報告される。
フォトカソード材料（GaAsないし類似の材料）のバンドギャップエネルギーに合わせ込むことにより、4.2 主リニアック用超伝導空洞
35 meV程度の熱エミッタンスを持つ電子ビームを引
主リニアックでは、エネルギー回収を行いながらき出す事が出来ると期待される。現在JAEAにおいて、100mAのビームの加速と100 mAのビームの減速を同高電圧250 kV、最大ビーム電流50 mAの電子銃（図時に行う。CW動作において、加速勾配15‑20MV/m、１）を開発中である[9]。これまでに150 kVの高電10以上（温度2K）が必要である。また
無負荷Q値10圧を印加し、2.7 mWのHe‑Neレーザーでの励起によ合計200 mAのビームをBeam Breakup (BBU)不安定性り、約1 μAの電子ビームの引き出しに成功した。
を起こす事無く周回させる必要があり、高次モード2008年9月以降に、電子ビーム評価用のビームライ(HOM)の減衰が極めて重要である。
ンの組み立てと、本格的なビーム試験を行う予定でリニアック全長での平均加速勾配を上げるためにある。より進んだ500 kV電子銃も設計中である。
は１空洞当たりのセル数は多いほど良いが、有効にフォトカソードの励起用には、波長800 nm付近でHOMを減衰するためには少数セルが望ましい。数値
波長可変、かつ繰り返し1.3 GHz、平均電力15 Wの計算による検討を重ねた上で、空洞当たりのセル数出力が可能なレーザーが必要であり、その開発も重として9セルを採用することにした。空洞の両端の要である。このため、ファイバー・レーザーをベーセルに絞りを入れた上で直径120 mmと100 mmの太いスとしたレーザーシステムを４段階で開発する計画
ビームパイプを取り付け、monopoleおよびdipoleのである。その第１段階として、繰り返し1.3 GHzの高次モードを引き出し、ビームパイプ上に配置するファイバーレーザー発振器を産総研と物性研とが共RF吸収体で減衰させる方式を採用した。また、特に同で開発中で、既に周波数118 MHzでの発振に成功
横方向インピーダンスが高い高次モードのインピーしている[7]。
ダンスを下げるため、空洞のセル形状をTESLA型空洞で採用されている形状から、赤道部をやや扁平にした形状に変更した。さらに、quadrupoleモードのBBU不安定性を起こす可能性のあるquadrupoleモードを減衰させるため、偏心フルート型ビームパイプを考案した。これは、quadrupoleモードの一部をdipoleモードに変換する機構で、変換されたdipoleモードはビームパイプ中を遠くまで伝搬し、吸収体で吸収させることができる。これらの基本設計を取り入れた空洞(KEK‑ERL model‑2, 図２)の試作を進めている。
まずTESLA空洞から形状を変更した空洞中央部のセルを試験するための単セル空洞（C‑single）と、偏心フルートを含む複雑なビームパイプ構造が付属
図１： 250 kVフォトカソードDC電子銃。
した単セル空洞(E‑single)の２台を試作し、縦測定試験を行った[12]。その結果、どちらの空洞でも４．超伝導加速空洞の開発状況
ERLで要求される20 MV/mの加速電界において、1010以上の無負荷Q値（温度2 K）を達成出来た。次に94.1 入射器用超伝導空洞
セル空洞の試作を行い、一連の表面処理工程を終えERL用の入射器では平均電流100 mAのビームをエて、縦測定の準備を行っている（図３）。主リニ
ネルギー回収なしで約500 keVから5‑10 MeVまで加アック用空洞の開発状況については[13]で詳しく報速する必要がある。低エネルギーでビームエミッタ告される。また、主リニアック用の可変カップリンンスを保存するためには、出来るだけ少ないセル数グ機構を備えた20 kW入力カップラーの開発も進行で高電界加速を行うことが望ましい。このため、2中である[14]。
セル超伝導空洞を3台用いる設計を採用する。ERL光源で必要な10 MeVまでビームを加速するためには、空洞当たり333 kWのRF電力を供給する必要がある。
偏心フルート型ビームパイプ
入力カップラー当たりの通過電力を減らすためと、RF吸収体RF吸収体カップラーを鏡面対称に配置するため、1台の空洞
図２：主リニアック用9セル空洞の基本設計。

３．フォトカソードDC電子銃の開発状況-226-

Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

図４：コンパクトERLの機器配置。

図３：試作した9セル空洞のアセンブリ作業。

５．コンパクトERLの設計

６．今後の予定
今後2‑3年間をかけて主要な機器の開発の目処をつけ、2010‑2011年度頃に建家（放射線遮蔽）も含めてコンパクトERLを建設し、2012年頃からコンパクトERLのビーム運転を開始する計画を立案している。5 GeV級ERL放射光源については、2014年頃から建設を開始できることを目標と考えている。ERL光源の実現に向けた道筋は、最近策定されたKEKロードマップにも盛り込まれた。

開発中の高輝度電子銃、CW動作可能な超伝導加速空洞等の重要コンポーネントを実際のビーム運転で動作実証するため、入射器から周回部まで一通りのERL要素を備えたコンパクトERL[15]（図４）をKEK内に建設する計画である。コンパクトERLでは、理論およびシミュレーションによるビームの性能予測の実証、エミッタンス補償手法の実験的な検証、シ７．謝辞
ミュレーションによる予測が難しい現象（ビーム損
ERL放射光源の研究開発は、KEK、JAEA、東大物性失等）の調査も進める。また加速器の実証試験の目
研、分子研、広島大学、産総研、名古屋大学、処がついた段階で、レーザー・コンプトン散乱を用
JASRI/SPring‑8の研究者から成る研究開発チームにいたフェムト秒X線源や大強度テラヘルツ光源としよって推進されている。研究開発に貢献されているても活用する計画である。主要なパラメータを表１
メンバーに深く感謝致します。に示す。
ERLのビーム光学系の設計では、まず電子銃から参考文献合流部までの低エネルギー部において、バンチ長を約20 ps（電子銃出口）から1‑3 psまで圧縮しつつ、 [1] Sol M. Gruner and M. Tigner (ed.), “Study for a proposed
Phase I Energy Recovery Linac (ERL) Synchrotron Light
投影エミッタンスの増大を如何に防ぐかが重要なポSource at Cornell University”, CHESS Technical Memo
イントである。投影エミッタンスを増大させる要因
01-003/JLAB-ACT-01-04 (2001).
として、バンチ内で線電荷密度が異なる（中央部が[2]K.-J.
Kim et al., Phys. Rev. Lett. 100, 244802 (2008).
高い）ことによる空間電荷発散力の違い（これは補[3] G.H. Hoffstaetter et al., EPAC08, pp. 190-192.
償することが可能）、加速空洞のRFによる時間依存[4] D.J. Holder et al., EPAC08, pp. 1001-1003.
収束力、合流部の分散関数の存在する場所における[5] M. Borland et al., PAC07, pp. 1121-1123.
縦方向空間電荷力とコヒーレント放射光（CSR）放[6] 春日俊夫, “コンパクトERLの概要と開発状況”, 加速
出によるエミッタンス増大、等がある。上記の要因
器, 5巻1号 (2008), pp. 13-20.
によるエミッタンス増大は、ソレノイドによる収束[7] S. Sakanaka et al., EPAC08, pp. 205-207.
パラメータや機器の位置等に複雑に依存するため、[8] “ERLサイエンス研究会１”, 2008年3月16-17日, KEK,
http://pfwww.kek.jp/pf-seminar/ERL/ERLScience1/index.html
複数パラメータの組み合わせにより最適解を探す手[9] N. Nishimori et al., Proc. ERL07 (to be published).
法で設計を進めている。現時点での入射器設計は、[10] 野口修一, 他, “cERL入射器用2セル超伝導空洞シス[16]に述べた手法で設計されている。遺伝的アルゴテムの開発”, 本プロシーディングス, F022.
リズムを用いてより進んだ最適化を進めている。
[11]
渡辺謙, 他, “KEKにおけるERL入射器用HOMカプラ
周回部のビーム光学系の設計では、バンチ圧縮の開発”,
本プロシーディングス, TP080.
モードにおいて、バンチ長を100 fs程度まで圧縮す[12] K. Umemori et al., EPAC08, pp. 925-927.
ることが課題である。バンチ電荷としては77 pCな[13] 沢村勝, 他, “ERL用超伝導主加速器開発の現状”, 本
いしそれ以上が目標である。アーク部におけるCSR
プロシーディングス, WP126.
放射の効果を考慮した場合のバンチ圧縮が、シミュ[14] 阪井寛志, 他, “ERL主ライナックのための入力カプレーション上で出来つつある。周回部のビーム光学
ラーの開発現状”, 本プロシーディングス, WP120.
に関する設計研究については[17]で報告される。ま[15] 羽島良一, 他(編), “コンパクトERLの設計研究”, KEK
た、抵抗壁ウェーク場によるBBUの可能性[18]、空Report 2007-7/JAEA-Research 2008-032 (2008).
洞HOMによるBBUの予測、イオン捕獲とその対策、等[16] 羽島良一, 他, 第3回加速器学会年会プロシーディンのビーム力学上の諸問題についても研究が進んでいグス, 2006, pp. 753-755.
る。以上の設計研究をコンパクトERLの概念設計レ[17] 白神剛志, 他, “コンパクトERL電子ビーム光学系のポート[15]にまとめ、さらに精度の高い設計を進め設計研究”, 本プロシーディングス, WP119.ている。
[18] N. Nakamura et al., PAC07, pp. 1010-1012.
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