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)

DESIGN OF INJECTOR SYSTEM FOR X-RAY FEL AT SPring-8
Hirofumi Hanaki11,A), Takao Asaka A), Hiroyasu Ego A), Hiroaki Kimura A), Toshiaki Kobayashi A), Shisuke Suzuki A),
Toru Hara B), Atsushi Higashiya B), Takahiro Inagaki B), Noritaka Kumagai B), Hirokazu Maesaka B), Yuji Otake B),
Tsumoru Shintake B), Hitoshi Tanaka B), Kazuaki Togawa B)
A)
JASRI/SPring-8, Hyogo 679-5198, JapanB)
RIKEN/SPring-8, Hyogo 679-5198, JapanAbstract
The SPring-8 X-FEL based on the SASE process has been developed to generate X-rays of 0.1 nm. The design goalsof the slice beam emittance and peak current at the end of the linac are 1 π mm mrad and 3 kA, respectively. The
injector of the linac generates an electron beam of 1 nC, accelerates it up to 30 MeV, and compresses its bunch length
down to 20 ps. We adopted the following keys to toward the goals: 1) A 500 kV thermionic gun (CeB6) without acontrol grid ejecting a beam holding the low rms emittance of 0.6 π mm mrad, 2) a beam deflector downstream gating
the beam to form a bunch of a 1 ns length, 3) multi-stage RF structures (238, 476 and 1428 MHz) bunching andaccelerating the beam gradually to maintain the initial emittance, and 4) extra RF cavities of 1428 and 5712 MHz
linearizing the energy chirp of the beam bunch to achieve the bunch compression resulting the required peak current.

SPring-8 XFEL 入 射 部 シ ス テ ム の 設 計
１．はじめに

２．ビームパラメータの設計[2, 4]

SPring-8 XFEL 計 画 で は 、 高 電 界 型 線 型 加 速 器
入射部設計においてはエミッタンス増加を最小限(400m)と真空封止型ミニギャップアンジュレータにするため以下を基本方針とした。
(90m)を組み合わせて、波長0.1nmのＸ線生成を目指• 均一な電荷分布を持つ円筒形のビームを生成すしており、2010年完成を目指して建設が続いている。
るため、コントロールグリッドを持たないCeB6
SPring-8 XFELの最も重要な特徴は、他のSASE単結晶カソードを採用。
FELではRF電子銃が使用されているのに対し、熱電• 空間電荷効果によるエミッタンス増加が最小に子銃が用いられることである [1]。注意深く設計されなるよう、多段バンチングシステムを最適化。
た熱電子銃の場合、電子密度の均一な円柱状の電子2.1 ビームバンチングビームパルスを生成する事が可能であり、そのような電子ビームは非線形な空間電荷効果を持たないた
本リニアックでは最終的なバンチ圧縮比は3000以め、電子ビームのエミッタンスは、カソード面を飛上(1A→3kA)になる。この圧縮比を、空間電荷効果び出した直後の熱エミッタンスをほぼ維持出来る。
あるいはCSR効果によるエミッタンス増加を抑制しこの方針の正しさは、SCSS試験加速器のSASEつつ達成するため、バンチングセクションをリニFEL発振(50nm)成功によって証明された [2] 。そしてアックに分散させ、圧縮比を最適化して配置する。
現在、SCSS試験加速器はXFEL建設のためのマシン
10MeV以下の低エネルギー域では、三段階の加速スタディだけでなく、先端的な放射光ユーザのため空胴によって約1/20に速度バンチングを行う（図1,2に、EUVパルス利用の運用を行っている[3]。
参照）。一方高エネルギー域では、三段階のシケイ
本XFELがレーザ発振を達成するために必要とさンによる磁気圧縮によって、最終的にピーク電流れるリニアックのビーム性能は以下の通りである。
3kA以上にまでバンチ圧縮を行う(図2, 3参照)。計算
ビームエネルギー: 8 GeVされた加速電界強度の最適値は表1の通りである。
ビームピーク電流: > 3 kA
規格化エミッタンス: < 1 π mm mrad
表 1: RF 空胴の最適電界とシャントインピーダンス
SPring-8 XFEL リ ニ ア ッ ク の 入 射 部 は 基 本 的 にRF Cavity
Gradient/Voltage
Shunt Impedance
SCSS試験加速器に基づいて設計されているが、速度
238MHz198kV
10.2 MΩ
バンチングのバンチング比はSCSSの約100から約20
476
MHz
801kV
8.5 MΩに低減し、エミッタンス増加を極力抑えるようにし
L-Correction
138 kV
9.6 MΩ × 2ている。そのため、SCSSで採用されたＳバンドAPS
L-APS
13.9 MV/m> 30 MΩ/m
空胴をＬバンドに変更した。さらにＬおよびＣバン
C-Correction
12 MV/m> 47 MΩ/m
ドの補償RF空胴を導入して、より多くの電子がバンチングされるように設計した。
バンチング効率を高め、かつ過剰バンチングを避けるため、図1のように二種類の高調波空胴を設置
1E-mail: hanaki@spring8.or.jp-539-

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図 1: XFEL入射部のRF系ブロック図する [5]。まずＬバンド空胴がブースタ空胴のすぐ下流に設置され、ビームにエネルギー変調を与えて後段でのバンチング過程を線形化する。さらにＬバンド加速管の下流に短いＣバンド進行波管を入れて、下流の磁気圧縮における非線形性を補償している。

ビームコリメータ二個を配置する（図4参照）。
2.3 ビーム安定性
入射部で僅かでもビームが変動すると、アンジュレータでのレーザ発振が不安定になるため、RFシス
テムは振幅および位相が安定かつ精密に制御出来るよう、非常に注意深く設計する必要がある。表2は、アンジュレータにおいてピーク電流値の変動を10%rms以下に抑制するために必要とされる、入射部RF系安定度の暫定的な計算値である[6]。
これらの厳しい要求を満たすため、変調器出力電圧の安定化[7]、低レベルRF制御およびRF空胴冷却水温度制御の高精度化 [8]が進められている。また、1nsビームを成形するビームデフレクタ（後述）のゲートパルスタイミング安定化も行われ、良好な結果を得ている[9]。
表 2: 各機器に要求される電圧および位相安定度
DeviseElectron gun
238 MHz SHB
476 MHz booster
L-band correction
L-band APS
C-band correction

図2: バンチ圧縮のスキーム

ΔV/V (% rms)
0.003
0.01
0.01
0.03
0.010.1Δφ (deg. rms)
0.01
0.02
0.06
0.060.1

３．電子銃[1]図3: バンチ内電荷分布のシミュレーション結果 (入射部出口および主加速部出口)
2.2 ビーム輸送
入射部のビーム集束には、RF空胴を覆う長いソレノイドを用いず、SCSSと同様にパンケーキ状の薄いソレノイドを、図4のように電子銃からＬバンドAPS加速管までの間に10台を分散配置する。これにより、加速・バンチング・集束という三つの機能が分離されてリニアックのビーム調整は飛躍的に容易になる。
各ソレノイドの磁場強度は、電子ビーム径がなるべく一定になるように設定し、集束しすぎた場合の非線形空間電荷効果によるエミッタンス増加を避けている。さらに、ビーム整形・ハロー除去のために本電子銃では、空間電荷効果によるビームの発散を抑制するため、加速電圧を500kVと高く設定している。電子銃の構造はSCSS試験加速器とほとんど同じであり、電子銃本体は、図4のようにパルストランスタンクに直接取り付ける油浸式である。ビーム性能は以下の表の通り。

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表 3: 電子銃パラメータ
Beam energy
Peak current
Pulse width
Repetition rate
Normalized emittance

500 keV
1–3A
1.6 µs60 pps0.4 π mm mrad

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図4: 入射部機器の構成図（電子銃、加速部のみ）
3.1 カソード
直径3mmのCeB6単結晶カソードを採用した。この場合、理論的熱エミッタンスはカソード温度1400°Cにおいて約0.4 π mm mradである。この温度では、1Aのカソード電流を、実用上十分に長い期間維持可能である。また、ヒータには、機械的および化学的安定性に優れるグラファイトを採用した。
3.2 ビームデフレクタ[10]
通 常 の カ ソ ー ドが 持 つグ リッド は、カ ソード 表面 付近の 電界が エミッ タン スを悪 化させ る。そ のた め本電 子銃は グリッ ドの代わりにすぐ下流のビ ームデ フレク タによ っ
図 5:デフレクタ直後でて 、長い ビーム パルス かのビームプロファイル
ら1nsパルスを切り出した。
デフレクタは二枚の平行平板電極と常時励磁されている偏向電磁石とで構成され、幅約1nsの高電圧ゲートパルスが作る電界と磁界が打ち消している間のみ、電子ビームはデフレクタを通過する。図5はSCSSにてデフレクタ下流のスクリーンモニタで観測されたビームプロファイルである。円形プロファイ
ルの周辺部が明瞭であり、プロファイル内の電子密度がほぼ均一であることが分かる。

いので、二本のAPS管からの反射波が分配器で打ち消すように導波管長を決定する必要がある。
APS管の場合、進行波管と違って、加速電界の非対称性を生じやすいカップラを加速管の中央に配置できるため、APS管に入射した直後のエネルギーの低いビームには、電界非対称性を原因とするエミッタンス増加が起こらない。そして加速管の中央に達したビームはすでに十分加速されているため、カップラの非対称性には影響されにくい。
4.3 補正空胴Ｌバンド補正空胴は、二連単空胴であり、シャントインピーダンスを高めるためにリエントラント型の形状をしている。図１のように半導体増幅器四台で二台の空胴を駆動する予定である。
Ｃバンド補正加速管は、主加速部のチョークモード型Ｃバンド進行波管を必要な加速電圧が得られる程度まで短縮した設計としている(26セル 3π/4モード)。ただし、製作を容易にするため定インピーダンス型である。RF源には主加速部と同じく50MWクライストロンを使用する。

参考文献[1] K. Togawa et al., “CeB6 electron gun for low-emittanceinjector”, PR STAB, 10, 020703 (2007).
[2] H. Tanaka et al., “Low Emittance Injector at SCSS”, Proc.
of FEL 2006, Berlin, pp. 769-776 (2006).
[3] H. Tanaka et al., “SCSS 試験加速器の運転状況 - 50~ 60
４．多段バンチングシステム
nm のレーザー波長領域での連続 SASE 飽和の達成-”,
本論文集.
4.1 SHB およびブースタ[4] T. Hara et al., “XFEL/SPring-8 ビームパラメータの基本設計”, 第４回加速器学会年会, 和光, 2007, pp. 610.
238MHz SHB空胴は、通過する電子ビームにエネ[5] K. Togawa et al., “XFEL/SPring-8 のバンチ圧縮器におルギー変調を与え、ビームは下流のビーム輸送系をけるエネルギーチャープの線形化”, 第４回加速器学通過する間に、速度バンチングにより約1/5に圧縮さ会年会, 和光, 2007, pp. 616.
れる。SHB空胴を励振するのは3.5kW半導体アンプ[6] H. Tanaka et al., “XFEL/SPring-8 のバンチ圧縮性能に及４台である。
ぼす RF 機器変動の影響評価”, 第４回加速器学会年会,
続く476MHzブースタ空胴はビームを1.1MeVまで
和光, 2007, pp. 613.
加速し、空間電荷効果を抑制する。120kW出力の[7] A. Kawasaki et al., “X-FEL/SPring-8 向け高電圧充電器
IOT (Eimac CHK2800W)がRF源である。の開発”, 本論文集.
[8] H. Maesaka et al., “SCSS 試験加速器の RF システムの4.2 Ｌバンド加速管高精度化”, 本論文集.
[9]
N. Hosoda et al., “SCSS 試験加速器における EUV レー
図4に示すように、二本のＬバンド加速管が1MeV
ザー安定化のための高電圧パルスディフレクタのタビームを35MeVまで加速する。加速構造はASP型
イミング制御”, 本論文集.
(Alternative Periodic Structure)を採用し、各加速管は[10]
K. Togawa et al., “低エミッタンス･短バンチ電子ビー18個の加速セルと中央のカップラセルで構成される。
ム生成のためのビームディフレクタの開発”, 第 3 回
導波管は、SF6 などの絶縁ガスを使用しない真空型加速器学会年会, 仙台, 2006, pp. 551.
を採用する。そのためサーキュレータを使用できな-541-