DEVELOPMENT OF IN-SITU FIELD MEASUREMENET INSTRUMENTFOR UNDULATORS
Takashi Tanaka †RIKEN SPring-8 Center, XFEL Research and Development Division
1-1-1 Koto, Sayo, Hyogo, 679-5148

Abstract
In order to measure the magnetic distribution of in-vacuum undulators, a new instrument has been developed, whichenable the measurement of magnetic field generated by magnetic arrays located inside the vacuum chamber. Thanks toits compactness, the new instrument is highly portable and can be applied to do an “in-situ” magnetic measurement ofundulators, namely, the measurement without moving from the accelerator tunnel. The principle and measurement
examples of the new instrument are presented, together with the future outlook.

アンジュレータ用 In-situ 高精度磁場測定装置の開発背景について簡単に述べる。SPring-8 では、運転開始直後から多数の真空封止型アンジュレータを導入
高精度の磁場測定は、高性能のアンジュレータを してきたが、磁石列が真空槽内部に設置される構造開発する上で避けて通ることができない重要な基盤 であるため、石定盤製長尺ベンチを利用した従来の技術の一つであり、一般的には磁石列のギャップに 磁場測定方法はそのままでは適用できない。このた挿入されたホール素子を電子ビーム進行方向へ走査 め磁場測定や磁場調整は磁石列のみを駆動架台に設することによって行われる。この際、ホール素子の 置した状態で行われる。そしてこれが完了した後に、位置変動によって生ずる測定誤差を軽減するため、 一旦磁石列を駆動架台から取り外した上で、真空槽駆動系には高精度かつ高剛性の石定盤が利用される を設置してから磁石列を再度設置する。このようなことが多い。このような“従来型”磁場測定が可能 磁石列の脱着作業は磁場性能を劣化させる原因となであるためには、磁石列側面からのフリーなアクセ り得る。
幸いにも、これまでに SPring-8 の蓄積リング用にスが可能であることが必要であり、このことがアン製作・設置してきたほとんどの真空封止型アンジュジュレータの構造設計に多大な制約を課している。
また真空封止型アンジュレータでは、真空槽内部に レータは周期長が 32 mm と比較的長いため、磁石磁石列を設置した、いわばアンジュレータとしての 列設置の再現性に対する許容値が大きく、この種の完成形での磁場測定が、真空槽自体が障害となって 問題が顕著に現れることはなかった。しかしながら、SACLA において周期長 18 mm の真空封止アンジュ実行できないという問題が生ずる。
レータを光源として採用するにあたり、アンジュ
SPring-8 では数年前から上記の課題に取り組み、レーザ計測を利用した動的な位置フィードバックシ レータラインに設置後の磁場分布の最終確認や、ステムを備えた、コンパクトで可搬性のある磁場測 ビーム運転後に何らかの原因で発振不調に陥ったと定装置を開発した。これにより、前述したアンジュ きの原因究明を容易にするために、磁石列を真空槽レータの設計に関する制約が解除され、より柔軟な 内部に設置した状態で（即ち In-situ で）磁場分布を設計が可能になっただけではなく、加速器収納部に 測定する技術が必要であるという認識が生まれたの設置された真空封止型アンジュレータの磁場測定を、 である。
測定室などへ搬出することなく、その場で行うことが可能になった。本論文では開発された磁場測定シIn-situ 磁場測定の原理
ステムの概要と、各種アンジュレータへの適用例並 3.
従来型磁場測定装置において高精度の石定盤がびにその有効性について報告するとともに、将来のホール素子駆動に利用されているのは、アンジュ展望について述べる。
レータ磁場が、特に鉛直軸(=y)方向に（時には水平軸(=x)方向へも）強い依存性を持つため、ホール素2. In-situ 磁場測定子移動中の位置変動が、無視できない測定誤差を生まず初めに、In-situ 磁場測定が必要とされてきた ずるためである。言い換えると、そのような位置変

1.

†

はじめに

ztanaka@spring8.or.jp- 193 -

Top View
PSD

irisundulator magnet

Hall probe

Side View
corner cube

laser scalelaser diode2-axis stage

rail carriage

steppermotor

図 1：In-situ 磁場測定装置模式図。
動を動的に補正することができさえすれば、石定盤 結果について報告する。
による駆動は必須では無い。
図 1 に、SPring-8 において開発された In-situ 磁場 4.1 磁石列脱着による影響の評価[1]測定装置の模式図を示す。この測定装置では、小型前述したとおり、SAFALI 開発の本来の目的の一のリニアガイドあるいはそれに類する物を真空槽内
つは、真空封止アンジュレータにおける磁石列脱着部に挿入し、これをガイドにしてホール素子をアン作業による磁場特性変化を測定することにある。こジュレータ軸(z)方向へ駆動する。そして、外部からこでは、SACLA 用アンジュレータのプロトタイプ
導入されたレーザ光でホール素子モジュールに取り 機を利用して行った試験結果について述べる。
付けられたアイリスを照射し、これによって切り取
同プロトタイプ機の駆動架台は 2007 年 10 月に納られたレーザスポットの重心位置を、下流側に設置 入された後、従来の測定手法による磁場測定及びそされた光位置検出器（PSD）で測定することにより、 れに基づく磁場調整を行い、2008 年 1 月末に完成
移動中のホール素子の位置変動を測定する。真空槽 した。磁石列を取り外して真空槽を設置した後、そ内部に設置されたリニアガイドは、何カ所かで 2 軸 の内部に磁石列を再度設置し、さらに SAFALI の各ステージによって保持されており、移動中のホール 種機器を装着して磁場測定を行った。真空槽設置前
素子位置変動を補正するように位置が制御される。 に磁石列単体で駆動架台に取り付けた状態で測定しこうすることによって、ホール素子の中心位置が常 た磁場分布と比較するために、位相誤差を計算したにアンジュレータの軸中心と一致する。さらに、ア ものを図 2 に示す。図 2(a)が真空槽装着前、即ち磁ンジュレータ軸（z）方向におけるホール素子の位 場調整が完了した状態での位相誤差であり、標準偏差で 3.3°であった。図 2(b)が真空槽装着後、即ち置は干渉計を利用したレーザ測長器により測定する。
磁石列を一回脱着した後の測定結果である。位相誤
ちなみに本装置は、Self-Aligned Field Analyzer with差が 7.2°まで悪化していることがわかる。
Laser Instrumentation の頭文字を取り、SAFALI と命
この原因を調査するために誤差磁場の形状を調査名された。また、既存のアンジュレータ磁気回路を すると、磁石列のギャップに微妙な差異が生じてい用いた各種試験の結果、SAFALI による磁場測定で、 ることが確認された。これは、磁石列が 5 m の一体石定盤を利用する従来の測定手法と同程度の精度が 物ではなく、3 つのユニットに分割されていること、得られることが確認された。
及び、それらがそれぞれ 2 本、形 6 本のボールネジによって駆動されているために、ユニット毎にギャップのオフセットやテーパが生じているためで4. 適用例あると考えられる。このため、これらのオフセット
次に開発された In-situ 磁場測定装置の適用例とその やテーパを当該箇所の磁場を監視しながら、ボール- 194 -(a) σφ=3.3o20
Phase Error (degree)

151050-5-10-15-20-25151050-5-10-15-20-2515
1050-5-10-15-20-25間前後での磁場分布の比較を示す。本アンジュレー
タは、BL35XU で光源として稼働した後 2010 年 3月に、同ビームラインでの高エネルギー領域での高輝度化のため、新規製作された周期長 20 mm のアンジュレータへ交換されるに伴い、蓄積リングから搬出されたものである。運転前後でギャップ 8 mmにおいて測定した磁場分布から計算された、位相誤差と磁場の変化量を示す。仮に放射線照射によって減磁が引き起こされたとすると、磁場変化は上流側が最も激しいと予想されるが、測定結果を見る限りそのような変化は生じていない。

(b) σφ=7.2o

100-101999/04 (4.5o)
2010/09 (6.1o)-20(c) σφ=3.3o

02000.2

400

Field Variation (%)

Phase Error (degree)

ネジの回転角を微調して補正することを試みた。この結果、位相誤差は図 2(c)に示すように、磁石列脱着前のものと同程度にまで回復することが確認された。このことは、仮に磁石列脱着によって磁場特性が劣化したとしても、精密な測定とこれに基づく機械的補正を施すことによって、本来の磁場特性に修正が可能であることを示している。

600

0.10.0-0.1Pole Number-0.2

図 2：位相誤差で表した磁場性能の比較。(a)真空槽 装 着 前 、 (b) 真 空 槽 装 着 後 、 (c) ギ ャ ッ プ 微 調後。

04080 120 160 200 240 280
Pole Number

図 3：長期運転による磁場性能への影響。(a) 位
相誤差の比較、(b) ピーク磁場の差。
4.2

長期運転による影響の評価

SPring-8 にはこれまでに 30 を超える挿入光源が4.3 クライオアンジュレータにおける In-situ 磁場設置され、順調に運転が続けられているが、その半測定と磁場調整[2]数以上が 10 年以上前に蓄積リングに設置されたもクライオアンジュレータとは、真空封止型アンのである。これらの挿入光源は 10 年を超える長期ジュレータの永久磁石列を120 K 程度まで冷却する
間に渡って、高エネルギー電子線やＸ線・γ線などことにより、残留磁束密度と保持力という、アンの放射線に照射されてきたことになるが、その際に最も心配されるのが、放射線損傷、特に永久磁石の ジュレータの性能にとって重要な永久磁石特性を改減磁である。減磁による影響としては、ビーム軸に 善するための手法であり、従来の真空封止型アン沿った磁場分布の均一性の悪化、及び磁場積分の変 ジュレータに比べてピーク磁場を 40% 程度増強す動である。特に前者は光強度の低下をもたらすため、 ることができる。この手法は既存の真空封止型アン利用者にとっても好ましくない。このような、放射 ジュレータに冷却機構を取り付けるという簡単な改線環境下での長期運転による影響を定量的に評価す 造で実現できるが、磁場測定を冷却状態において行う必要があるため、従来の磁場測定手法が適用できるため SAFALI による磁場測定と解析を行った。
図 3 に、1999 年 9 月から 2010 年 2 月まで約 10 ない。そこで、SPring-8 では SAFALI において必要年間運転された真空封止アンジュレータの、運転期 な各種機器を真空対応とすることで、クライオアン- 195 -2nd Field Integral (G.cm2)

ジュレータにおける磁場測定手法を確立した。また、 構造が可能となっている。今後、この概念をさらに冷却後の温度勾配に伴って生じる磁場特性の劣化を、 発展させることで、より効率の高い、コストエフェ冷却状態を保ったまま補正する技術を確立した。図 クティブな挿入光源の開発が可能になると期待され4 にそれらを適用した例を示す。冷却前、室温下で る。一方、SAFALI の測定精度自体も改良を加えて測定した磁場分布から計算される位相誤差（下図、 いく必要がある。現在達成されているホール素子の赤線）が、冷却後には大きく劣化している様子（青 位置精度は、PSD によるレーザスポット位置の測定線）が確認できる。一方で、補正のための機器調整 精度が律速となっており、r.m.s.で約 10 µm である。
を行った後（緑線）にはほぼ元通りの特性が再現さ これは、周期長 15 mm 程度のアンジュレータにおれていることがわかる。
ける磁場測定では問題ない値であるが、今後、より短周期のアンジュレータを開発していく際には改善1500していかねばならない。PSD による位置測定精度は(a)ビームサイズに依存するが、現在使用している単純1000
な円形開口による空間的フィルタリングは、回折に500よる角度発散が大きくなり、有利ではない。従って、この種の目的に適したフィルタリングの手法につい0て検討する必要がある。
-500-1000

参考文献

-1500

[1] T. Tanaka, T. Seike and H. Kitamura, “Measurement ofSPring-8 XFEL Undualtor Prototype with the SAFALISystem”, Proc. 30th Int. Free Electron Laser Conf.
(FEL2008), 371[2] T. Tanaka, T. Seike, A. Kagamihata, T. Schmidt, A. Anghel,
M. Bruegger, W. Bulgheroni, B. Jakob and H. Kitamura,“In situ correction of field errors induced by temperature
gradient in cryogenic undulators”, Phys. Rev. ST-AB 12(2009) 120702

300 K
117K: Before Correction(b)
117K: After Correction-2000

Phase Error (degree)

1612840-4-800-4000400800z(mm)
図 4：クライオアンジュレータにおける、冷却前（赤）、冷却後（青）、補正機構調節後（緑）の(a)電子軌道及び(b)位相誤差で表した磁場性能。
これにより、クライオアンジュレータの開発において克服すべき重要な課題が解決し、その実用化に向けて大きく前進した。

5.

今後の展望

SAFALI の応用は、単に真空封止型アンジュレータにおける磁場測定への適用にとどまらない。最も重要なことは、アンジュレータの基本構造として、従来型磁場測定を行うための磁石列へのフリーアクセスという、いわば束縛条件を除去できたことである。これにより、駆動架台の柔軟な設計が可能となった。一例として、SPring-8 の BL35XU に設置されたアンジュレータの駆動架台は、方持ち支持方式のＣ型構造ではなく、両持ち支持の門型構造が採用されており、これによってシンプルだが剛性が高い- 196 -