OFF-MOMENTUM TOP-UP INJECTION INTO NEWSUBARU
Yoshihiko Shoji #,A), Yasuyuki MinagawaB), Yasuhiro TakemuraB)A)
NewSUBARU/SPring-8, LASTI, University of Hyogo
1-1-2 Kouto, Kamigori-cho, Ako-gun, Hyogo, 678-1205
B)
Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI)
1-1-1 Kouto, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo, 679-5198

Abstract
NewSUBARU is temporarily operated with non-achromatic mode for the research using chromaticity modulation. At
this special mode, the ring energy is displaced from the injected beam energy (off-momentum injection) in order toobtain good injection efficiency. The finite dispersion at the injection point transfers a part of betetron oscillation to asynchrotron oscillation. Using this technique, it became possible to inject new beam keeping the stored beam, that was
the necessary condition for the top-up operation.

ニュースバルへの運動量差を利用したトップアップ入射
1.

INTRODUCTION

ニュースバルの主要パラメーターを Table 1 に示す。更に通常運転時と、非アクロマティック運転時の入射点のパラメーターを Table 2 に比較して示す。
チューン、クロマティシティーやモーメンタムコンパクションファクターは、同じ値になるように設定している。非アクロマティックラティスの Twiss パ
ラメーターとディスパージョンを Fig.1 に示す。

ニュースバル[1]では、交流６極を用いたクロマ
ティシティー変調の応用を研究している。その際には通常の放射光利用運転とは異なり、直線部に有限なディスパージョンを持つ非アクロマティックラティスを用いる。ところがこのラティスではアパー
チャーが十分でなく、新しくビームを入射しようとすると、既に蓄積していたビームが廃棄されてしま
Table 1: Basic parameters of NewSUBARU
う問題があった。これを解決する為に提案したのがInjection Energy
0.976 GeV
入射点のディスパージョンと運動量差を利用した入Circumference L0
117.8 m射である [2]。
入射ビームの運動量がリングと異なる場合、ディ6.30 / 2.23
Betatron tune: νx / νyスパージョンに従ってベータトロン振動中心がズレ
3.4 / 5.8
Chromaticity: ξx / ξyる。このズレを使って、入射ビームのベータトロン
0.0024振動を小さくできる。最も単純な入射点のモデルで、 Synchrotron tune: νs
入射ビーム軌道の入射バンプ軌道からのズレを xD、0.00136
Momentum compaction factor: αp
入 射 ビ ー ム の エ ネ ル ギ ー の ズ レ を δINJ 、 入 射 点 のSeptum wall from the beam center: xMAX
+21 mmディスパージョンとβ関数を η と βx とする。入射3 mm
ビームのベータトロン振動の大きさ Jx は下式になる。 Septum thickness: ΔxSEP(1)
J x = (x D − ηδ INJ ) 2 / β x
ベータトロン振動が小さくなる一方でシンクロトロ
Table 2: Parameters of the NewSUBARU at the injection
ン振動が始まるので、ベータトロン振動の一部をシpoint
at 1.0 GeV, with the achromatic lattice (normal user
ンクロトロン振動に移した事になる。
operation) and the non-achromatic lattice.
この入射方式提案後、クロマティシティー変調導入の目的であった、横方向不安定性抑制の研究[3]がLattice
achromatic
non-achromatic
一応の成果を得て終了したため、この入射方式はテNatural emittance
50 πnm80 πnm
ストされないままになった。ところが 2019 年に不Dispersion0m
1.1 m
安定性抑制の研究を再開し、2010 年には THz コ
ヒーレント放射への応用研究[4]が提案されるという
00.05 rad.
Dispersion angle η'
状況になり、再びこの入射方式を試す事になった。
9.36/11.57 10.0/15.9
Beta function βx /βY

2.

INJECTION INTO NewSUBARU

2.1

Non-Achromatic Lattice of NewSUBARU____________________________________________#Alpha function αx /αY-0.035/-0.14 -0.15/-0.19

Horizontal beam size σX0.6 mmshoji@lasti.u-hyogo.ac.jp- 48 -1.03 mm

1.66βX

ηβY

1.240.820.40-20LSS051015s (m)202530dispersion; η (m)Beta function βX, βY ( m)

8-0.4の高さは 16mm でδINJ=0.5%とした。
運動量差をつけると、青で示したビーム振動のエンベロープが小さくなる事が解る。図からは十分なアパーチャーがあるように見えるが、実際にはダイナミックアパーチャーが効いていると考えられるので、小さなエンベロープが望ましい。
更に、入射直後に一回だけ通過する軌道にはフィジカルアパーチャーが問題になる。この場合はs=46m に 位 置 で 、 リ ン グ と 同 じ エ ネ ル ギ ー で は 18.1mm だが、δINJ=0.5%では -16.2 mm に縮小した。

Figure 1: Beta functions and dispersion function of nonachromatic lattice in 1/4 of NewSUBARU. The solid, thedashed and the dotted lines show η, √βX and √ βY,
respectively. The left end is the center of the long straightsection. The AC sextupole will be set at the location:
s=5.87m in this figure.
2.2

Beam Injection System of NewSUBARU

ニュースバルでは 4 台のパルスバンプ電磁石を使い、Figure 2 のようなバンプ軌道を作る設計である。
時間幅は 1ms で、リング２周よりやや長い。実際の利用運転では Figure 2 に示す閉じた軌道ではなく、入射点への入りと出で差をつける。この差によって、軌道差を入射ビームのベータトロン振動と蓄積ビームのベータトロン振動に振り分けて入射効率を上げている。
蓄積ビームバンプ軌道中心からセプタム内壁までの距離を蓄積ビームの 4σX にとると、入射点へ入るバンプの高さは 17mm 以下という事になる。実際はかなり細かな調整を行い、挿入光源を稼働させない状態なら 100%近い入射効率を実現している。
非アクロマティックでは、蓄積ビームの入射点に於けるビームサイズが大きく、更にダイナミックアパーチャーも小さいと考えられるので、入射が難しくなる。

Figure 2: Closed injection bump of NewSUBARU. The
height at the injection point is 16mm. Four small squares
indicate the locations of four pulse bump magnets. The
top clear box shows the location and the thickness of theseptum. The stored beam goes from the left to the right.

2.3

Calculation

まずは線形ラティスで入射軌道を計算し、運動量差の効果を確認したものが Figure 3 である。バンプ(a) on-momentum injection.

(b) off-momentum injection by +0.5%
Figure 3: Orbit excursion of the injected beam in casesof (a) on-momentum injection and (b) off-momentuminjection. The injection point (the exit of the pulseseptum) is at s=38m. The red, brown, light green, darkgreen and dark blue lines are the orbits at the 1-st, the 2nd, the 3-rd, the 4-th and the 5-th turn after the injection,
respectively, during which the pulse bump field wasactive. The two blue lines show the envelope of the orbit
excursion after the 5th turn, which include the spread by
the synchrotron oscillation but we ignored the radiation
damping. The black lines on the top and the bottom show
the physical acceptance of the ring.
2.4

Experiment

実際の施設では、入射器は SPring-8 と供用なので運転期間中はエネルギーを変える事ができない。その代りにリングのエネルギーを変える（磁場を変える）ことで運動量差を作った。
Figure 4 は 6 種類の入射バンプに対してリングエ- 49 -

Stored beam current (mA)

Injection efficiency (%)

ネルギーを変え、入射効率の変化を見た結果である。 3.
INJECTION INTO LOW α P LATTICE
バンプを低くする（ xD を大きくする）と、最適運
ここで、amplitude dependent circumference shit[5, 6]
動量差δINJ が拡大する。計算では η ≈ 1 m なので、バについて検討しておく。通常は問題にならないが、ンプ高 4mm に対して最適δINJ は-0.4%変化だが、測quasi-isochronous lattice （低い αP ）への入射では重定結果は -0.2%程度であった。
要な要素となりうる。
70
ベータトロン振動の振幅依存周長変化はクロマティシティーによって決まる。この周長変化を打ち
60
Injection
消す為にシンクロトロン振動の中心エネルギーがbump height50(2)δ 0 = (2π /α P L0 )ξx J x .
14 mm40へと変わる[7]。この場合、シンクロトロン振動を起18 mm
こす運動量差は
22 mm
3026 mm(3)
δ INJ − δ 030 mm20となる。ニュースバルの場合を xD-ηδINJ=7 mm とし34 mm10て計算すると shift δ0=0.06% である。量的に大きいとは言えないが、シンクロトロン振動を小さくする
0-0.500.51方向である。
δINJ (%)
低 αP の場合ではこの影響が大きくなり、入射によ
Figure 4: Dependence of the injection efficiency on theるシンクロトロン振動が起きない条件が存在する。
ring energy.
δINJ=δ0 とすると、式(1)と式(2)から(4)δ INJ = (2π /α P L0 )ξx (x D − ηδ INJ ) 2 / β x
通常の運転では 21~22mm のバンプの高さが必要が得られる。これを幾つかの場合で見てみる。
だが、閉じたバンプを使うと蓄積ビームが落ちてし• ξx=0 の場合。周長変化は消え、シンクロトロンまう。已むなく閉じていないバンプで入射するので振動が起きないエネルギーはδINJ=0.である。
蓄積ビームも入射直後からベータトロン振動を開始
αP=0 の極限。 シンクロトロン振動が起きない•する。しかし、十分低いバンプで入射できるならば、
δINJ=xD/η であり、このときベータエネルギーは利用上望ましい閉じた入射バンプを使う事ができるトロン振動振幅もほぼゼロである。
はずである。Figure 5 は、線形モデルの計算上では• 上記２例の間で ξx/αP が十分小さい場合。比較あるが閉じた入射バンプを使い、100 mA トップ的現実性がありアップを試みた際の蓄積電流変化である。このとき⎛ x ⎞⎛ η ⎞ηδ INJ(5)δINJ = 0.7%、バンプの高さは 15mm、入射効率は約≈ 2πξx ⎜ D ⎟ ⎜⎟ .
xβLα⎝⎠⎝⎠DxP
040%であった。ベータトロン振動数など様々なパラである。
メーターを調整すれば、更に良い状態で運転可能でここで指摘したいのは、シンクロトロン振動を起あろう。
こさないエネルギーはリングのエネルギーとは異なる点である。さらに低αP ではこの効果が大きく現れ120る為、入射ビームには運動量差が必要となるだろう。
100参考文献

8060
40200
23:10:00[1][2]

δINJ = 0.7%
Closed bumpheight = 15 mm
23:20:00

23:30:00

Figure 5: Stored beam current during the test of 100 mA
top-up operation using the closed injection bump.
ここでは、特殊ケースである non-achromatic latticeを扱ったが、通常運転は achromatic lattice である。
しかしエミッタンス等への影響が小さい範囲でachromatic 条件を崩し、運動量差を付けることで入射改善の可能性がある。これは今後の課題である。

A. Ando, et al., Jour. Synch. Rad.5 (1998), 342.
Y. Shoji " OFF-MOMENTUM INJECTION INTO AN
NON-AQCHROMATIC LATTICE ", in the Proc. of the
2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society ofJapan, July 2005, http://www.pasj.jp/web_publish/pasj2_lam30/Proceedings/21P054.pdf.
[3] T. Nakamura et. al., " SUPPRESSION OF TRANSVERSEINSTABILITIES BY CHROMATICITY MODULATION ",IPAC'10.
[4] Y. Shoji, Phys. Rev. ST-AB 13, 060702 (2010).
[5] L. Emery, in the Proc. of International Conference on High
Momentum Accelerators, p.1172 (1993).
[6] Y. Shoji, Phys. Rev. ST-AB 8, 094001 (2005).
[7] Y. Shoji, et al., " AMPLITUDE DEPENDENT ORBITSHIFT AND ITS EFFECT ON BEAM INJECTION ",IPAC'11.

- 50 -