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東北放射光施設計画 “SLiT-J” 3GeV高輝度光源加速器システム提案書
v2.0
Synchrotron Light in Tohoku, Japan
SLiT-J Design Report V2.0
2016年 3月
東北放射光施設推進会議／推進室
SLiT-J デザインチーム
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目次
1. はじめに .........................................................................................................................4 1.1 世界における放射光施設建設の動向............................................................................. 4 1.2 光源加速器施設の設計における基本的な考え方......................................................... 6
2. ラティス .........................................................................................................................8 2.1 蓄積リングのラティス構成.............................................................................................. 8 2.2 蓄積リングにおける電子ビームの動力学的解析......................................................12 2.3 モーメンタムアパーチャとタウシェックビーム寿命..............................................13
3. 電磁石........................................................................................................................... 17 3.1 偏向電磁石.........................................................................................................................17 3.2 四極電磁石.........................................................................................................................19 3.3 六極電磁石.........................................................................................................................21 3.4 ステアリング電磁石........................................................................................................23 3.5 電磁石電源.........................................................................................................................25 3.6 アライメント.....................................................................................................................26
4. 真空システム.............................................................................................................. 28 4.1 真空システムの概要........................................................................................................28 4.2 真空システムの構造と機能............................................................................................29 4.3 真空寿命と圧力 .................................................................................................................31
5. 高周波加速システム.................................................................................................. 35 5.1 高周波源と駆動電源........................................................................................................37 5.2 大電力伝送系.....................................................................................................................37 5.3 加速空洞.............................................................................................................................38 5.4 ローレベル制御 ................................................................................................................43
6. ビーム診断系.............................................................................................................. 45 6.1 ビーム診断系の概要........................................................................................................45 6.2 ビーム位置モニタ............................................................................................................46 6.3 放射光を用いたビームサイズモニタ...........................................................................48 6.4 ビーム不安定性抑制........................................................................................................48
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7. 入射システム.............................................................................................................. 50
8. 入射器........................................................................................................................... 54 8.1 入射器の概要.....................................................................................................................54 8.2 RF 電子銃...........................................................................................................................57 8.3 ビームチョッパ ................................................................................................................58 8.4 バンチコンプレッサ........................................................................................................60 8.5 C バンドユニット.............................................................................................................62 8.6 ローレベル RF系（LLRF).............................................................................................64
9. 挿入光源 ...................................................................................................................... 67 9.1 挿入光源設計における境界条件....................................................................................67 9.2 対象波長領域と偏光特性.................................................................................................68 9.3 挿入光源仕様案 .................................................................................................................69 9.4 硬 X線ビームライン........................................................................................................70 9.5 ウィグラービームライン................................................................................................73 9.6 軟 X線／EUVビームライン..........................................................................................77 9.7 熱負荷..................................................................................................................................79 9.8 カップリングの影響.........................................................................................................83
10. ビームライン ........................................................................................................... 85 10.1 ビームラインの全体構成.............................................................................................85 10.2 ビームラインの種類 .....................................................................................................85 10.3 フロントエンド..............................................................................................................86 10.4 遮蔽ハッチ......................................................................................................................88 10.5 主要光学系......................................................................................................................89 10.6 輸送系 ..............................................................................................................................96
11. 制御システム ........................................................................................................... 98 11.1 制御システムの概要 .....................................................................................................98 11.2 蓄積リング制御系 .........................................................................................................99
12. 放射線遮蔽 .............................................................................................................102 12.1 遮蔽設計基準値及び運転形態..................................................................................102 12.2 評価方法.......................................................................................................................102
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12.3 線形加速器...................................................................................................................103 12.4 蓄積リング...................................................................................................................103 12.5 検討結果.......................................................................................................................104
13. 建屋・設備 .............................................................................................................106 13.1 施設建屋概要...............................................................................................................106 13.2 蓄積リング棟...............................................................................................................107 13.3 入射器棟.......................................................................................................................109 13.4 受電・空調冷却系設備..............................................................................................109
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1. はじめに 東北放射光施設（SLiT-J; Synchrotron Light in Tohoku, Japan）は軽元素を中心とした物質・材料研究に適する軟 X 線ナノビーム光源として、本邦の放射光科学コミュニティー待望の 3GeV 高輝度放射光源の実現を目指すものである。2000 年以降の 3GeV クラスの軟 X線高輝度光源の建設ラッシュで繰り広げられてきた世界の放射光科学の進展から日本は明らかに遅れをとっている。このような情勢に鑑みたSLiT-J は建設期間を３年程度とし、東北の震災復興の観点からも可能な限り早期の運用開始を目指すものである。 昨今、国内の放射光科学分野においては光源性能（光子エネルギー、輝度等）あるいは設置場所などの観点から、国全体のロードマップを俯瞰したグランドビジョンに裏打ちされた将来計画策定が求められている。SLiT-J は、硬 X線ナノビームの供給を特徴とするSPring-8 と光源性能・地域性の観点から相補的な関係を確立することにより、両施設の連携・協奏が我が国全体の科学技術・イノベーションを強力に推進すると大いに期待するものである。また科学技術のみならず国内産業の優位性維持および持続的発展に極めて有効なツールであると考えられる。 本デザインレポートは、2014 年 7 月に刊行された東北放射光施設計画の中核をなす光源施設（入射器、蓄積リング、挿入光源、ビームライン）の建設計画概要の提案書（SLiT-J Design Report v1.0）を改訂するものである。設計においては、これまで我が国で蓄積された加速器科学技術の知見を最大限に活用することで光源性能が最先端施設の水準を充たし、短い建設期間かつ低予算（建設費、維持費）で施設を実現することが可能となるよう配慮した。また、将来の拡張性も視野に入れた設計になっている。
1.1 世界における放射光施設建設の動向 1990 年以降、第三世代光源と呼ばれる挿入光源を主力光源として蓄積リングを最適化した放射光施設は世界各国で相次いで建設された。これらの放射光施設の利用が急速に進んだことから、2000年代に入ると世界各国で科学・技術の進展に必須な基盤施設として、汎用性が高いエネルギー3GeV、周長 500m 程度の中規模な光源リングの建設が活発に進められた。このような中型放射光施設の建設が現在も進む背景には、物質科学および産業利用における基盤施設と
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しての役割、例えば 100eVから 10keV以下領域のX線が材料物性の解明やエレクトロニクスデバイスの開発に有効である事等が強く認識され始めたこと、硬X線源である6GeVから8GeVの大型放射光施設では対応が難しい軟X線領域の高輝度化が実現出来ること、更には挿入型光源の短周期化と加速器に於けるビーム不安定性抑制技術等の進展により大型放射光施設には及ばないものの、高い水準の硬 X 線光源性能も合わせ持つことができるようになったことなどが挙げられる。 これらの世界的潮流を我が国として見過ごすことは、我が国の科学技術および産業の競争力を著しく落とすことになる。SPring-8 は、生命科学からナノテクノロジーに至る幅広い科学技術分野において革新的研究を牽引する基盤施設であり、我が国で蓄積されてきた高度な科学技術を生かすことで、世界的経済危機や地球規模の環境問題などに向けたグリーンイノベーション、ライフイノベーション、更には国際的な安全安心を確保するための問題解決に取り組んできた。しかしながら、先の東日本大震災で多くの科学基盤研究施設が甚大な被害を受け、科学技術創造立国を国是とする我が国の大きな打撃になった。我が国の科学技術・産業のみならず、社会が求める文化・教育・経済活動のサステナビリティやリスクマネージメントの観点から、これら基盤施設を国土に適切に配置し、各種災害のリスク分散をはかる事が極めて重要である事は明らかである。 東北放射光計画は、科学分野の側面から東北地方の復興に積極的に貢献すると同時に、放射光源性能に関しては、先端基盤施設の災害に対するリスク分散を担うためにも、SPring-8 とほぼ互換な放射光光源であるべきと思われる。詳細な光源性能については様々な事情を考慮した上で今後も検討が続けられるが、その骨子となる主要性能を世界の先端的中型放射光施設の性能とともに表 1.1に示す。
表 1.1 世界の 3GeV クラス中型放射光高輝度光源の主要性能
Facility Energy (GeV) C (m) No. of Cells
Beam Current (mA)
Emittance (nm.rad)
Brilliance (~1 keV)
SSRF (China) 3.5 432 20 300 3.9 1020
DIAMOND (UK) 3 562 24 300 2.7 1020
SOLEIL (France) 2.75 354 16 300 3.7 1020
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ALBA (Spain) 3 269 16 400 4.3 1020
TPS (Taiwan) 3 518 24 400 1.6 1021
NSLS-Ⅱ (USA) 3 792 30 500 0.55 > 1021
MAX-Ⅳ (Sweden) 3 528 20 500 0.26 > 1021
SPring-8 （参考） 8 1436 48 100 2.4 1020 @10keV
（注）各光源の性能には幅があり、諸条件によって値は異なるため代表値を示す。
1.2 光源加速器施設の設計における基本的な考え方 最近の先端的光源に勝るとも劣らない軟Ｘ線領域の光源性能を目指すとともに、徹底的なコンパクトネスによる省エネルギー運転を実現する施設設計とする。光源加速器構成機器の設計については、建設期間を短くするために成熟した本邦の加速器技術を基本に考えるが、SPring-8 のアップグレード計画であるSPing-8-II におけるR&Dのこれまでと今後の成果を踏まえ、共通化できる技術を積極的に導入することも視野に入れる。 A. 蓄積リング ①電磁石システム：偏向電磁石、四極電磁石、六極電磁石の小口径化によって、コンパクトで省エネルギー型電磁石を用いる。偏向電磁石には四極磁場を重畳した機能複合型電磁石を用い、さらにシステム全体のコンパクト化と電源システムの簡素化を実現する低エミッタンスラティスを設計する。 ②真空システム： 真空性能とメンテナンス性を両立させるため、排気システムとして Lumped NEG、IP 等集中型排気系を採用。真空チェンバはビームが感ずるインピーダンスを極力低減する形状とするとともに、タウシェック寿命が 5～10 時間程度（400mA運転時）であることを考慮し真空システムを最適化する。 ③高周波加速空洞システム：コンパクトで効率的に高次モードを減衰させるTM020常伝導空洞を採用し、高周波電力 1MWの 500MHz クライストロンを用いて、加速電圧 3MV以上で 400mAのビーム電流を実現する。 ④真空封止型挿入光源：SPring-8 で高度化されてきた真空封止型短周期アンジュレータを採用し、１次光で数 keVから 11次光で 20keV以上までの準単色高輝度X線を発生する。また、高磁場多極ウィグラー（MPW）を 50keV程度までの高強度白色硬 X 線源とする。電磁石および真空チェンバの形状の複雑化と光源性能の低下を引き起こすため、原則として偏向電磁石から
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の放射光の取り出しを行わない。 B. 入射器システム SACLAで開発されてきた最先端加速器技術を活用し、入射器として高品質電子ビームの加速とコンパクトで低消費電力性能を併せ持つ C バンド３GeV線型加速器システムを採用する。高加速勾配（45MV/m）の加速構造によってシステム全長を短縮し建屋規模を小さくする。
C. 建屋・設備 高効率熱源機器の採用と建屋の高断熱化、および冷却水水圧を低減することでポンプ容量の低減とインバータ方式による効率化で省エネ施設を実現する。また、機器の低振動化、環境変動に対する建屋安定化手法の導入でナノビーム集光等のビームライン性能の高度化を実現する。
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2. ラティス 2.1 蓄積リングのラティス構成 スウェーデンのMAX IV研究所の3GeV新光源が１セルあたり7偏向磁石の所謂マルチベンドアクロマート構造のラティスを採用して 1nmrad を切る低エミッタンスリングを目指した事は、光源リングデザインにとって極めてエポックメーキングであると言える。理論的に偏向磁石数の３乗に反比例してエミッタンスは小さくできるためマルチベンド構造は低エミッタンス化には必須であるが、磁石配置のパッキングファクタが非常に高くなるため、ゲートバルブやビーム診断装置等の配置が容易でない。また低エミッタンス化のために多重極磁場も従来に比べ相当に強いため、ボア系を大きく取れずビームダクトが必然的に細くなりコンダクタンスが小さくなるために真空システムの設計も難しくなる。しかしながら既存の放射光施設のアップグレード計画の殆どはこのマルチベンドラティスを採用しており、今後の光源リングラティスのトレンドになることは必至であろう。 SLiT-J 蓄積リングもマルチベンドラティスの一つである、セルあたり４偏向磁石のDDBA（Double Double-Bend Achromat）ラティスを採用した。セル数は 16で、水平方向の自然エミッタンスは 0.93nmrad、リング周長は 354ｍである。マルチベンドラティスではあるが偏向磁石数がMAX IV の 3GeVリングのように極端に多くないためエミッタンスはさほど小さくならないが、コンパクトなセル構造にできるため、比較的短い周長で低エミッタンス化が可能である。 SLiT-J 蓄積リングの主要パラメータを表2.1に示す。DDBAユニットセルは、偏向電磁石 4 台、収束用四極磁石 10 台および電子ビーム収束時に発生する色収差補正用および非線形効果の抑制用の六極磁石 10台、その他軌道補正用双極電磁石等で構成され、1 セルの長さは 22.1m である。16 ヶ所の 5.4ｍ長直線部のうち 14 ヶ所にアンジュレータを、残り 2 ヶ所にはビーム入射システムと高周波加速空洞を設置する。また当初案として 1.7ｍの短直線部には、12 ヶ所に偏向電磁石に代わる高強度で白色の硬 X 線を生成する多極ウィグラー（MPW：Multi-pole Wiggler）を置き、残りの 4カ所にビーム不安定性抑制装置、各種ビーム診断装置やビーム電流モニタ（DCCT）、ビームコリメータ等を設置することとしている。
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長直線部のエネルギー分散関数を０とするアクロマート（色消し）構造であるが、ここに 4cmの僅かなエネルギー分散を漏らすことで 0.79nmrad まで水平エミッタンスを下げる事ができる。ユニットセル内のビーム光学におけるラティス関数を図 2.1 に示す。
表 2.1 SLiT-J 蓄積リングの主要パラメータ 電子ビームエネルギー E 2.998 GeV
ラティス構造 Double Double-Bend Achromat
周長 C 354.094 m
セル数（偏向磁石数） Ncell 16 (64)
長直線部 LSS 5.40 m × 16
短直線部 SSS 1.66 m × 16
ベータトロンチューン (νx, νy) (29.17, 9.23)
自然クロマティシティ (ξx, ξy) (-70.07, -41.01)
自然水平エミッタンス εx 0.93 (0.79*) nmrad
運動量収縮因子 α0 0.00044
自然エネルギー広がり σE/E 0.0819 %
長直線部中央のラティス関数 (βx, βy, ηx) (13.0, 3.0, 0.0) m
短直線部中央のラティス関数 (βx, βy, ηx) (4.3, 3.3, 0.06) m
減衰分配数 (Jx, Jy) (1.418, 1.582)
減衰時間 (τx, τy, τe) (8.7, 12.4, 7.8) ms
偏向磁石でのエネルギー損失 U0 0.573 MeV/turn
高周波加速周波数 fRF 508 MHz
高周波加速電圧 VRF 3 MV
ハーモニック数 h 600
自然バンチ長 σb 3.32 mm (11.1 ps)
*長直線部に 4cmのエネルギー分散を入れた場合。
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図 2.1 ユニットセル内の光学関数。赤線と青線はそれぞれ水平方向と垂直方向のβ
関数、緑線は水平方向のエネルギー分散関数。
表 2.2 SLiT-J 蓄積リングの主要パラメータ
Magnet Name Length (m) Strength (T, T/m, T/m2)
Combined Dipole b 1.423534 0.8, 6.7
b1 1.030835 0.8, 7.0
Quadrupole q1 0.30 33.771911
q2 0.20 22.754523
q3 0.20 33.543110
q4 0.12 -11.351556
q5 0.20 36.584092
Sextupole sf 0.24 698.0665
sd 0.24 -461.0454
sy 0.24 -853.3863
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偏向電磁石には、リングのコンパクト化と水平エミッタンスを低減するために、偏向磁場と四極磁場を重ね合わせた機能複合型電磁石を採用した。直線部のエネルギー分散関数を無理なく０（色消し）にするために、両端の偏向磁石の長さは中央の２つより短く（約 2/3）してあるが、電子ビームの一周あたりのエネルギー損失があまり大きくならないよう双極磁場はどちらの偏向磁石も0.8T として高周波空洞の消費パワーの負担をやや軽減した。四極成分については中央の２つの偏向磁石および両端のそれらはそれぞれ 6.7 および 7.0T/m とした。四極電磁石および六極電磁石の最大強度はそれぞれ 40T/m および 1000T/m２とした。どちらもボア系を 30mm 程度確保しても十分達成できる強度である。四極電磁石は磁場有効長が30cm、20cmおよび12cmの３種類、六極電磁石のそれはすべて 24cm とした。これらの電磁石の諸仕様について表2.2 に、また磁石配列を図 2.2 に示した。 磁石配置では、b-q2 間および b1-q3 間のドリフトスペースが比較的広いように見えるが、中央でエネルギー分散関数を大きくして sf の強度を下げるための措置である（但し六極磁場を透明にする意図的な位相整合は行っていない）。短直線部に MPW を挿入して発生するベータ関数の歪みは、q１と q２およびq3のトリムコイルによって位相進みも合わせて補正する。
図 2.2 単位セル内の電磁石配列。青：偏向磁石（2ファミリー）、赤：四極磁石（5
ファミリー）、黄：六極磁石（5ファミリー）。
s1 0.24 875.5990
s2 0.24 -973.4064
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2.2 蓄積リングにおける電子ビームの動力学的解析 2.2.1 力学的口径を広げる六極磁場強度の最適化 SLiT-J 蓄積リングのラティスからわかるように、クロマティシティ補正は sf、sd、および sy を使って行うが、sdと sy のバランスはリングの力学的口径（DA: Dynamic Aperture）を左右するので、s1 と s2 の強度も含めて、単一目標（single-objective）の遺伝的アルゴリズム（GA: Genetic Algorithm）を用いて、力学的口径を最大に広げる六極磁石の強度を求めた。この GA による六極磁石の最適化においては、最小エミッタンスを探索するようなチューンサーベイは行なっていない。 最大の DA を求めるトラッキングコードは KEK で開発された SAD を用い、これに GA アルゴリズムを組み込んだ。計算においては、ターゲットクロマティシティは（+1, +1）とし、エネルギー偏差を持つ粒子（off-momentum粒子）のシンクロトロン振動も考慮するため、3MVの高周波加速電圧を引加した。図2.3 に得られた DA を示した。エネルギー偏差が±3%であっても、水平方向に-15mm程度のアパーチャが確保されており、ビーム入射における十分に広い安定領域がある。垂直方向も中心で 7mm 確保されているが、真空封止型挿入光源のギャップを考慮するとさほど重要ではない。
図2.3 5.4mの長直線部中央で観たon-momentum粒子とエネルギー偏差±3％のoff-momentum粒子の DA。中心粒子のチューンは(νx, νy) = (29.17, 9.23)。
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六極磁場強度は全て 1000T/m2以下であり、ボア径が 40mm 以下程度の六極電磁石を用いれば、容易に達成できる磁場強度である。図 2.4 にチューンの運動量依存性（a）と水平方向および垂直方向の振動振幅依存性（b, c）を示す。
(a)
(b)
(c)
図 2.4 動作点のチューン(νx, νy) = (29.17, 9.23)における、（a）非線形クロマティシティ（運動量依存のチューンシフト）、（b）水平方向ベータトロン振幅依存チューンシフト、（c）垂直方向ベータトロン振幅依存チューンシフト。（b）および（c）はいずれも長直線部中心での振幅を横軸とする。
運動量依存の非線形性はあまり強くなく、±3%の範囲でのチューンシフトは0.1 程度であるが、水平チューンが+3％以上で急速に変化している。振幅依存チューンシフトでは非線形性がやや強く見られる。磁石のミスアライメントでDAが狭まることが予見されるが、運転に支障が生じるようなチューンシフトはないと判断できる。
2.3 モーメンタムアパーチャとタウシェックビーム寿命 最大許容誤差の範囲内で、通常レベルのCOD補正、チューン補正、ベータ関数補正等を適正に実施すれば、モーメンタムアパーチャ (MA) がランダム誤差の影響で激しく変動する事はない。タウシェックビーム寿命を評価する上で、先ずシミュレーションにより、レギュラーセルの局所的 MA の分布を次の条件
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により安全側に評価した。(1)セル当たり 24 個の電磁石の上流 24 点を評価点とする、(2) 六極電磁石にランダムな設置誤差（σ=25μm の 2σで短絡）を与える、(3) 3MV の加速電圧を仮定する、(4) シンクロトロン振動はモデルに考慮するが、放射損失なしの保存系でトラッキング、(5) 挿入光源は計算モデルには取り入れない（放射損失＋磁場の影響）。シミュレーション結果を図 2.5 に示す。MA の絶対値は規格化運動量偏差（Δp/p）で２%から 5%の間に分布し、主に水平ディスパージョンと相関している事が分かる。平均の MA はプラス側とマイナス側それぞれ 3.4%となった。
図 2.5 モーメンタムアパーチャの１セル内の分布
図 2.5 の MA 分布並びにリング一周のラティス関数を考慮し、タウシェックビーム寿命を数値計算で評価した。条件としては以下を仮定した。(1) 3MVの加速電圧を仮定する、(2) 放射損失は偏向電磁石からのもののみを考慮する、(3) ビームロスを生じるリミットとしては、MA、物理口径とバケットハイトのいずれか小さい物を適用する、(4) 電子ビーム密度は、ゼロ電流ベースの自然ビームボリュームに対し、カップリング比とバンチ長で調整する。図 2.6 にタウシェックビーム寿命のバンチ電流依存性を示す。カップリング比は通常得られる 0.2%と制御して大きくする想定の 1%の２種類を、また、バンチ長として短バンチの限界を与えるゼロ電流限界値と通常の運転電流値で得られるバンチ伸長を模擬した限界値の 2倍を組み合わせた計 4通りの条件で計算した。 蓄積電流の目標値は 400mAであり、600バケットの 2/3 にビームを入れる
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フィリングを標準と考えると、バンチ当たりの電流値は1mA（電荷で1.18nC）である。ビーム寿命の目標設定は単純ではないが、目安として 5~10 時間とすれば、カップリングを 1％程度まで増加する必要があることが分かる。一方でリングのインピーダンスの効果、特にポテンシャルウェル歪みの効果でバンチ長はゼロ電流限界より長くなる。SPring-8 の実績値では通常の 100mA運転時にバンチ長はゼロ電流限界値の約２倍になっている。これとカップリング増加の効果を合わせる事で、400mA-400 バンチフィリングにおいて約 7時間のビーム寿命が得られると予想される。
図 2.6 バンチ長とカップリング比をパラメータとして計算したタウシェックビー
ム寿命のバンチ電流依存性
バンチ内の電子・電子散乱 (Intra-Beam Scattering: IBS) は、電子ビームの３軸方向でエミッタンスの増加を引き起こす。この効果は、電子・電子散乱の中でエネルギー交換が小さくビーム損失とならない小角の散乱によりもたらされ、これらの小角散乱のみを考慮し、水平、垂直、エネルギーの３軸に対し、放射減衰と散乱によるエミッタンス励起が釣り合う動的平衡を、自己充足条件を課して数値的に計算することができる [2.1]。
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図 2.7 IBS による水平エミッタンス（左）とエネルギー広がり（右）の増大のバ
ンチ電流依存性 図 2.7 中の左図は、IBS による水平エミッタンスの増加を、右図はエネルギー広がりの増加を示す。計算の条件はタウシェックビーム寿命を数値計算で評価した時と同様である。タウシェックビーム寿命が約 7 時間となるカップリング比 1%、バンチ長がゼロ電流限界値の 2 倍でバンチ電流 1mA の条件では、水平エミッタンスとエネルギー広がりの増大は、それぞれ無視できるレベルにある事が分かる。 参考文献 [2.1] K.L.F. Bane, et.al., PRST-AB 5, 084403 (2002).
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３．電磁石 ２章に示されたラティスを実現する電磁石システムの設計を行った。設計に際し、要求磁場、磁場勾配を充たすのみでなく、初期コスト、維持コストを極力抑制する方針とした。当ラティスは、２種類の機能複合型偏向磁石、５種類の四極磁石、および５種類の六極磁石等から構成されるが、本稿ではその基本設計として偏向磁石、四極磁石、六極磁石各１種類ずつの設計を示し、４章で示される真空チェンバ（光取出し用フォトンダクト含む）との干渉、および将来の調整幅等を考慮した各磁石個別の詳細設計については、今後示していくものとする。 機能複合型偏向磁石の中心ギャップは 28mm、四極磁石、六極磁石のボア径はそれぞれ 34mm、36mmとした。ただし、真空チェンバ（フォトンダクト含む）等の設計に伴い、今後、ギャップおよびボア径は必要に応じて改訂するものとする。有効磁場範囲は、磁場の均一度が 10-3以下を満たす範囲と定義した。以下に、各磁石の基本設計を示す。
3.1 偏向電磁石 ２章で示されたDDBA（Double Double-Bend Achromat）ラティスは各セルに偏向磁石が４台あり、全ての偏向磁石が、垂直方向に収束機能を持つセクター型の機能複合型電磁石となっている。セル両端の２台と中央の２台は仕様が異なり、両端の２台をB1、中央の２台をBと呼ぶ。 機能複合型偏向磁石は、その水平位置によってギャップ値が異なり、ビーム中心位置でのギャップを 28mmに設定し設計を行った。これに対し、±12mm程度の有効磁場範囲を確保すべく先端部の磁極幅を 70mmとした。電磁石の断面形状を図 3.1 に、主要パラメータを表 3.1 に示す。鉄芯材は SUY0相当の電磁軟鉄またはS-23 相当以上の珪素鋼板とする。コイルには無酸素銅製の水冷導体を使用し、電流密度は 2.7A/mm2（定常運転時）程度か、それ以下とする。 本設計により、通常運転時のパワーロスは 211kW（ケーブルにおける損失38kW を含む）、冷却水の総流量は 320L/min、冷却水温度上昇 7.7K となり、偏向電磁石による消費電力は合計 234kW（電源効率 0.9 と仮定）となった。
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図 3.1 機能複合型偏向電磁石の断面形状。数字の単位はミリメートル。
表 3.1 機能複合型偏向電磁石 主要パラメータ
項目 単位 B B1
鉄芯長 Lpole mm 1409 1016 有効磁場長 Leff mm 1423.534 1030.836
全長（コイル込み） mm 1509 1116 偏向磁場 T 0.8 0.8 磁場勾配 T/m 6.7 7.0 曲率半径 m 12.5 12.5 偏向角 degree 6.53 4.73
中心ギャップ mm 28 28 定格励磁電流 A 557 557
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3.2 四極電磁石 各セルには 10台の四極磁石があり、セル中央にある短直線部を中心に折り返し構造になっている。従って、計５種類の四極磁石があり、短直線部側からセル両端側に向かってQ1、Q2、Q3、Q4、Q5と呼ぶ。Q1、Q2、Q3、Q5は水平方向に収束力を持つ四極磁石（QF）で、Q4 のみ垂直方向に収束力を持つ四極磁石（QD）になっている。ボア直径は 34mmとした。 断面形状を図 3.2 に、主要パラメータを表 3.2 に示す。鉄芯長は Q1 が一番長く 281mm、Q4 が一番短く 101mm で、Q2、Q3、Q5 は等しく 181mmとした。磁場勾配は、Q5が一番大きく 36.6T/m（通常運転時）となっている。いずれの四極磁石も有効磁場範囲として±12mm 程度を確保するようシムを設けるものとし、鉄芯材は SUY0 相当の電磁軟鉄または S-23 相当以上の珪素鋼板とする。コイルには無酸素銅製の水冷導体を使用し、電流密度は 4.4A/mm2
（定常運転時）程度か、それ以下とする。また、磁石間および他機器（BPM他）との空間干渉を避けるため、コイルの出っ張りを最小限に抑えたテーパ型磁極形状とする。 本設計により、通常運転時のパワーロスは 133kW（ケーブルにおける損失39kWを含む）、冷却水の総流量 1014L/min、冷却水温度上昇 1.3K となり、四極磁石による消費電力は合計 148kW（電源効率 0.9）となった。
消費電力 W 3066 2319 ヘッダ数 /Mag 2 2 冷却水量 L/min 4.6 5.4 圧力損失 MPa 0.2 0.2
冷却水温度上昇 K 9.6 6.2 鉄芯重量 kg 706 509 コイル重量 kg 193 146 員数 台 32 32
20
図 3.2 四極電磁石の断面形状。数字の単位はミリメートル。
表 3.2 四極電磁石 主要パラメータ
項目 単位 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5
鉄芯長 Lpole mm 281 181 181 101 181 有効磁場長 Leff mm 300 200 200 120 200
全長（コイル込み） mm 325 225 225 145 225 磁場勾配 T/m 33.8 22.7 33.5 -11.4 36.6 ボア直径 mm 34 34 34 34 34
定格励磁電流 A 324 218 321 109 351 消費電力 W 982 331 720 61 859 ヘッダ数 /Mag 4 4 4 4 4 冷却水量 L/min 5.3 6.3 6.3 7.5 6.3 圧力損失 MPa 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
冷却水温度上昇 K 2.7 0.8 1.7 0.2 2.0 鉄芯重量 kg 131 84 84 47 84
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コイル重量 kg 27 20 20 15 20 員数 台 32 32 32 32 32
3.3 六極電磁石 四極磁石同様、各セルには 10台の六極磁石があり、計５種類の六極磁石がある。短直線部側からセル両端側に向かってSY、SF、SD、S2、S1と呼ぶ。SF、S1 は水平方向収束六極磁石（SF）で、SY、SD、S2 は垂直方向収束六極磁石（SD）になっている。ボア直径は 36mmとした。 断面形状を図 3.3 に、主要パラメータを表 3.3 に示す。鉄芯長は全て 228mmとした。磁場勾配は、SYが一番大きく-973T/m2程度（通常運転時）となっており、余裕をみた調整幅として、1300T/m2まで励磁可能な設計とした。 いずれの六極磁石も有効磁場範囲として±10mm 程度を確保するようシムを設けるものとし、鉄芯材は SUY0 相当の電磁軟鉄または S-23 相当以上の珪素鋼板とする。コイルには無酸素銅製の水冷導体を使用し、電流密度は 3.9A/mm2
（定常運転時）程度か、それ以下とする。また、四極磁石同様、磁石間および他機器（BPM他）との空間干渉を避けるため、コイルの出っ張りを最小限に抑えたテーパ付き磁極形状とする。 本設計により、通常運転時のパワーロスは 28kW（ケーブルにおける損失5.4kW を含む）、冷却水の総流量 216L/min、冷却水温度上昇 1.5K となり、六極磁石による消費電力は合計 31kW（電源効率 0.9）となった。なお、一部の六極磁石についてはステアリング磁石の機能も追加する（3.4 参照）。
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図 3.3 六極電磁石の断面形状。コイルにはステアリング用のものも含まれている。数
字の単位はミリメートル。
表 3.3 六極電磁石の主要パラメータ
項目 単位 SF SD SY S1 S2
鉄芯長 Lpole mm 228 228 228 228 228 有効磁場長 Leff mm 240 240 240 240 240 全長(コイル込み） mm 268 268 268 268 268
磁場勾配 T/m2 698 -461 -853 876 -973 ボア直径 mm 36 36 36 36 36
定格励磁電流 A 91 60 111 114 127 消費電力 W 109 47 162 171 211 ヘッダ数 /Mag 2 2 2 2 2 冷却水量 L/min 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 圧力損失 MPa 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
冷却水温度上昇 K 1.2 0.5 1.8 1.9 2.3 鉄芯重量 kg 58 58 58 58 58
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3.4 ステアリング電磁石 図 4.1 に示す通り、ステアリング磁石は、六極磁石に付随されるものと、単独ステアリング磁石がある。六極磁石に付随されるステアリング電磁石は、図3.3 に示される通りである。水平方向にキックする場合（図 4.1 中、StH）、図3.3 の上下２ポールに巻かれたコイルを用い、垂直方向にキックする場合（同図中、StV）は、図 3.3 の両端２ポール（上下で合計４ポール）に巻かれたコイルを用いる。この場合、補助コイルによるステアリング最大キック角は、現設計において、水平方向は 0.2mrad、垂直方向は 0.34mrad となっている。 単独ステアリング磁石の仕様を表 3.4 に示す。単独ステアリング磁石は水平方向ステアリング用（StH）、垂直方向ステアリング用（StV）の機能別に製作し設置する。それぞれの断面図を図 3.4 に示す。今後、コミッショニングシナリオ等の策定に応じ、必要なステアリング角を充たす設計を行う。
表 3.4 単独ステアリング磁石仕様
項目 StH StV
最大キック角 [mrad] 0.63 0.46 鉄芯長 L [mm] 70 56 実効長 Leff [mm] 112 165 全長（含、コイル） [mm] 89 87 中心磁束密度 Bx, By [T] 0.056 0.028 ギャップ tg [mm] 30 84 定格励磁電流 I [A] ±3 ±3 コイルターン数 [Turn/Pole] 224 312 コイル断面 [mm x mm] 2 x 1 2 x 1 定格電圧 V [V] 3.1 5.5 消費電力 P [W] 9.4 16.5
コイル重量 kg 6 6 6 6 6 員数 台 32 32 32 32 32
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冷却方式 空冷 空冷 最大コイル温度上昇 [K] 17 28 鉄芯重量 [kg] 2.9 3.3 コイル重量 [kg] 2.0 3.3 員数 48 48
図 3.4 単独ステアリング電磁石。上：StH、下：StV。数字の単位はミリメートル。
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3.5 電磁石電源 電磁石はファミリー毎に直列に接続し、各ファミリー1台の電源で励磁する。主電磁石用電源は偏向電磁石用 2台、四極電磁石用 5台、六極電磁石用 5台の計 12 台である。出力電流値の安定度は、室温変動 ±2℃ に対してリップルを含め設定値の 1×10-5 以内とする。電流制御方式は IG-BT などを用いたスイッチング制御方式とし、変換効率は 0.9 程度とする。交流入力は、10kW 以上のものは 3φ-400V、10kW 以下のものは 3φ-200V とする。主電源はリング内周側の電源室に設置し、負荷電磁石との接続は、電磁石 1 台おきに時計回りに直列に接続した後、中間点で折り返し残りの電磁石を反時計回りに直列に接続する。容量の大きなものは水冷とし、冷却水の圧力損失は 0.2MPa、定常運転時の水温上昇は 10 度以内とする。主電磁石電源の電圧、電流、接続ケーブルの仕様の概要を表 3.5 に示す。今後配線ルートと敷設方法を最適化し更に省エネルギー化を進める。 以上をまとめ、偏向電磁石、四極電磁石、六極電磁石を合計した消費電力は413kW（通常運転時、電源効率を 0.9 と仮定）となった。
表 3.5 主電磁石電源の電圧、電流、接続ケーブルの仕様
対象電磁石 運転時パラメータ ケーブルサイズ 種別 電源名
（台数） 電流[A] 電圧]V] 出力[kW] 長さ [m]
PS-B B(32) 557 210 117 325sq-1000 PS-B1 B1(32) 557 167 93 325sq-1000 偏向 小計 211
PS-Q1 Q1(32) 324 129 42 200sq-1000 PS-Q2 Q2(32) 218 70 15 200sq-1000 PS-Q3 Q3(32) 321 104 33 200sq-1000 PS-Q4 Q4(32) 109 28 3 200sq-1000 PS-Q5 Q5(32) 351 113 40 200sq-1000
四極
小計 133
六極 PS-SF SF(32) 91 47 4 200sq-1000
26
PS-SD SD(32) 60 32 2 200sq-1000 PS-SY SY(32) 111 57 6 200sq-1000 PS-S1 S1(32) 114 59 7 200sq-1000 PS-S2 S2(32) 127 66 8 200sq-1000
小計 28
合計 372
3.6 アライメント 本計画では Off-axis 入射が採用されており、入射振幅を十分に確保するような力学的口径を保証するアライメント精度が最低限要求される。更に、より広い力学的口径確保の観点から、実現可能な範囲内でアライメントエラーを極力抑えておくことが好ましい。ここでは、表 3.6 に示される精度の達成を目指す。表中、アライメントエラーを標準偏差σで表し、エラーのカットオフ（アクセプタンス）を±2σとする。表 3.4 に示された値は、SPring-8 をはじめとする昨今の放射光リングで達成されてきた範囲内であり、SPring-8 で確立された２段階アライメント方式を採用することで達成出来ると考えられる。SPring-8では、架台内と架台間の２段階アライメントが実施されたが、昨今、更にアライメント精度をあげるため、直線部のみに特化して高精度アライメントするVibrating Wire 法の確立が進んでおり、今回は直線内アライメントと直線間アライメントの２段階アライメントを採用する（各直線部を１架台に載せる場合は、架台内・架台間と、直線内・直線間は同意になる）。 機能複合型偏向磁石の場合、製作された磁石の磁場を３次元計測した上で磁石中心を定義する手法が困難なため、機械的な基準点に基づいてアライメントを行う。アライメントには従来のレーザートラッカーを用いる。 直線部に並ぶ四極、六極磁石は、Vibrating Wire 法によりアライメントする。Vibrating Wire 法は、ビーム軸に相当する直線上に導電ワイヤーを張り、ワイヤーの共鳴周波数に相当する交流電流を流し、１台ずつ励磁された磁石の磁場によって励起される振動の強弱から、磁場中心を割り出す手法である。ローテーティングコイル等によって磁場中心を割り出し、これを磁石外（通常、磁石上部）の基準点に Fiducialization した上でその基準点をアライメントする従来の手法と比べ、Vibrating Wire によって磁場中心を直接観測しながらアライメントするところが長所となり、各磁石の Fiducialization の誤差がアライメント
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誤差に含まれない、という原理的な特性が本手法の利点となる。この手法の導入により、直線部に並ぶ磁石群をσ= 25μm程度かそれ以下の精度でアライメントする。 直線間アライメントは、レーザートラッカーを用いる。Vibrating Wire 法は直線部両端に位置する多極磁石を基準に行われるため、各直線部の両端２台の磁石位置をレーザートラッカーによってアライメントすることで、直線間を 50μm程度かそれ以下の精度でアライメントする。
表 3.6 目標アライメント精度（標準偏差） σ [μm] 水平方向 垂直方向
偏向磁石 100 100 直線内 25 25 直線間 50 50
*エラーのカットオフ（アクセプタンス）を±2σとする。
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4. 真空システム 4.1 真空システムの概要 真空システムは、残留ガスに電子ビームが衝突散乱することにより電子ビームが失われる真空寿命を目標 20時間として検討を行った。必要圧力は、CO換算で 1×10-7Pa である。直線部真空チェンバは、ビーム室内径を高さ 16mm、横幅 30mmとし、アンテチェンバを設け、偏向電磁石からの放射光を真空チェンバの壁面には照射せず、分散配置した 12 台のフォトンアブソーバ（CR1,2およびAB1～10）に照射するようにした。図 4.1 に単位セルの電磁石、ビーム位置モニタ(BPM) およびフォトンアブソーバ配置を示す。真空ポンプをフォトンアブソーバ部に集中的に配置することにより、放射光照射により発生した光刺激脱離（Photon Stimulated Desorption: PSD）ガスを局所排気し、運転中も低い圧力を維持する。
図 4.1 単位セルの電磁石、モニタ、フォトンアブソーバの配置。
偏向電磁石(B)、四極電磁石(Q)、六極電磁石（S）、ステアリング電磁石(St)、 ビーム位置モニタ(BPM)、フォトンアブソーバ (CR1,2,AB1～10)。
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真空チェンバの材質は SPring-8 [4.1] で成功したアルミニウム合金とした。偏向電磁石部真空チェンバ 4台と直線部真空チェンバ 6台で構成する。真空チェンバ同士は ICF フランジで接続する。 真空チェンバは、据付前にプリベーキングを行い、更に据付後、現場でベーキングを行う。 4.2 真空システムの構造と機能 直線部真空チェンバ 直線部真空チェンバの断面を図 4.2 に示す。直線部真空チェンバの垂直方向の内径は、長直線部に設置するアンジュレータからの ±1.5mrad の X 線を全て取り出す事ができるように、16mmとする。水平方向の内径は、電子ビームの入射時の軌道振幅に対して充分な裕度を確保するために±15mm とする。スロット高さは偏向電磁石からの X 線を通すことができるように 5mm とした。アンテチェンバ内壁はビーム中心から 73mmとし、アンテチェンバ内壁に偏向電磁石からの放射光が照射しないように、フォトンアブソーバの配置を検討した。 チェンバ材質は、電気伝導率が高くビームが感じるインピーダンスが小さい、更に熱伝導率が高く発熱の除去が容易なアルミニウム合金とし、押し出し加工で製作する。真空チェンバには、チェンバ温度安定のため冷却水路を設ける。 なお、SPring-8 の次期計画ではステンレスチェンバを開発している。この開発が成功した場合は、ステンレスチェンバの採用も検討する。
図 4.2 直線部真空チェンバ断面。数字の単位はミリメートル。
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偏向電磁石部真空チェンバ 偏向電磁石部真空チェンバの断面を図 4.3 に示す。長直線部下流の偏向電磁石部真空チェンバは、アンジュレータからの ±1.5mrad の X 線を全て取り出すことがきるように内径サイズを決定した。他の偏向電磁石部真空チェンバも同じ断面形状とする。チェンバ材質は直線部真空チェンバと同様にアルミニウム合金の押し出し材とする。押し出し材を偏向半径で曲げて湾曲したチェンバを製作する。
図 4.3 偏向部真空チェンバ断面。数字の単位はミリメートル。
真空チェンバ部品 真空フランジは原則としてアルミニウムとステンレスの変換材を用い、シール面はステンレス、アルミニウムチェンバとの接合部はアルミニウムとする。 ベローズはステンレス製溶接ベローズとしアルミニウムチェンバとの接合部にはアルミニウムとステンレスの変換材を用いる。または、アルミニウム製成形ベローズとする。ベローズ内面にはインピーダンス低減のためRFシールドを設ける。偏向電磁石部真空チェンバと直線部真空チェンバの取り合い部近傍に設置する。パッキングファクタが厳しいため、できる限り小型化することが重要である。 ビーム室の断面寸法が小さいため、インピーダンスには注意をしなければならない。真空チェンバおよび部品の断面を滑らかに接続するため、断面の段差やギャップを避け、必要に応じてテーパ状に断面を変化させることが必要である。また、使用する部品はできるだけ電気伝導率の高い材料を選択することも重要である。 挿入光源との取り合い部には、RFシールド付きのオールメタルゲートバルブを設置し、大気開放を伴う真空の保守を容易にできるようにする。また圧力悪
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化が発生した場合は、このゲートバルブを閉じ真空を分離する。真空計はフィラメントの損傷がなく保守の不要なコールドカソードゲージを使用する。圧力インターロックには、コールドカソードゲージの圧力接点信号とイオンポンプの圧力接点信号を用いる。 なお、真空機器と電磁石やモニタとの干渉が厳しい場合は、SPring-8 の次期計画と同様に直線部真空チェンバ 3本と偏向電磁石部真空チェンバ 2本をフランジではなく溶接で接合することも検討する。この場合、1本のチェンバ長さは約 8m となり、偏向部と直線部の真空チェンバを一体で据え付けるために電磁石の構造にも影響を及ぼす。 ベーキング 真空チェンバは、据付の前に 150℃でプリベーキングを行い、真空チェンバの健全性を確認するとともにガスを放出させる。据付後もベーキングを行い、熱脱離によるガス放出を低減させる。 なお、上述の 8m 長さのチェンバを製作する場合、真空チェンバをプリベークで超高真空に保ったまま、据付を行うことも検討する。 4.3 真空寿命と圧力 蓄積リング内を周回する電子ビームの寿命は主に、放射光放射による量子寿命、バンチ内電子電子散乱による Touschek 寿命、残留ガスとの衝突による真空寿命で決まる。RF電圧 3MVを考慮すると量子寿命は十分な長さが確保されるが、Touschek 寿命は前述の通り５～１０時間程度である。ビーム寿命に対し真空寿命が大きな影響を与えないように、400mA 蓄積時の真空寿命として20時間程度を確保する必要がある。その場合に要求される到達圧力は、挿入光源での最小ギャップ値、鉛直方向の光学関数から、CO換算で 1×10-7Pa 程度となる。 １）放射光パワーとガス放出量 蓄積リング一周当たり偏向電磁石で発生する放射光パワーWは、 W = 88.4Eb4Ib/ρ
により 230kWと見積もられ、セルあたり 14.3kWの放射光パワーをフォトンアブソーバで受光、遮断することとなる。ここで、Eb=3GeV、Ib=400mA、ρ
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=12.5mである。後述するように、12台のフォトンアブソーバを適切に配置することにより、各アブソーバが受光する最大パワー密度と最大パワーを、それぞれ 200W/mm2程度（直入射換算）、2kW程度に抑える設計としている。 放射光用電子蓄積リングの真空システムにおけるガス放出には熱脱離によるものと光刺激脱離（PSD）によるものとがある。真空チェンバの製作、プリベーク等の処置が適切に行われていれば、蓄積リング運転時の到達圧力への前者の寄与は後者に比べて十分に小さい。表 4.1 に SLiT-J 運転時の PSD によるガス放出量、要求到達圧力 1×10-7Pa の実現に必要となる実効排気速度を示す。ガス放出量の見積もりには、SPring-8 のアルミナ分散強化銅（GLIDCOP）製フォトンアブソーバおよび A6063 製真空チェンバにおいて十分な光焼き出しの後に到達可能であることが確認されている PSDイールド係数 10-6を用いた。
表 4.1 光刺激脱離（PSD）によるガス放出量と必要実効排気速度 ビームエネルギー（E） 3GeV 蓄積電流（Ib） 400mA 照射光子数（Np） 9.7E+20photons/s（Np=8.08E+17・E・Ib）
PSD イールド係数（η） 1.00E-6 （十分枯れた状態での値） ボルツマン定数（k） 1.38E-23Pa・m3/K 温度（T） 298K 光脱離ガス放出量（Qp） 3.99E-6Pa・m3/s （Qp=Np・η・k・T）
必要実効排気速度 40m3/s （リング全周）
２）真空排気システム SLiT-J では偏向電磁石からの放射光のほとんど全てをフォトンアブソーバで受光するため、PSD によるガス放出が局在化することとなる。真空チェンバの断面積が小さく、ビーム軸方向には十分なコンダクタンスを確保することが困難であるため、フォトンアブソーバの直近にカートリッジ型NEGポンプとイオンポンプとで構成される局所型排気システムを配置する。排気ポートの設計検討の際には、表 4.1 に示す必要実効排気速度を実現する効率的な排気システムを構築できるよう、コンダクタンスの確保に留意する必要がある。一方、ビーム運転開始直後には 3～4桁も大きな大量の PSDガスが発生し、要求到達圧力の実現には十分な光焼き出しが必要となる。光焼き出しの時間短縮およびNEG
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ポンプの排気能力維持のため、運転開始直後に大排気能力を確保する方策を検討しておく必要がある。
３）フォトンアブソーバ 放射光を真空チェンバ壁に当てないこと、受光面が受ける放射パワーが大きくなりすぎないこと、必要な発散角の光をビームラインに取り出すことを考慮して、効率的なフォトンアブソーバの配置と適切な受光面の先端位置を決定する（図 4.1 参照）。フォトンアブソーバは 2台のクロッチ（crotch absorber；CR）と 10 台のアブソーバ（absorber；AB）から構成されるが、両者はビームラインへの光取り出し用窓の有無で区別される。各々のフォトンアブソーバに照射されるパワーの一覧を表 4.2 に示す。偏向電磁石の直下流にあるフォトンアブソーバ（CR1, AB3, CR2, AB8）は、上流側の偏向電磁石からの漏洩光を受け止める必要があり、受光面の必要長さが長くなるため、横挿入型が基本となる。一方、主として多極磁石間に配置されるその他のフォトンアブソーバは、フォトンダクトや磁石との干渉を避けるため、チェンバ上面から縦に挿入する。前者の横挿入型の内、挿入光源と MPW の下流に位置するフォトンアブソーバ（CR1, CR2）には、各々±1.5mrad および±2.0mrad の大きさの、光取り出し用窓を設ける。フォトンアブソーバは全て水冷構造を有しており、専用のチェンバにフランジ取合で取り付けられる。受光面の位置決め精度を考慮し、面タッチ型フランジを使用する。フォトンアブソーバの材質は、有限要素法（FEM）による熱および熱応力解析結果に基づいて[4.2]、高温強度特性に優れた GLIDCOP と無酸素銅を使い分ける。無酸素銅を使用する条件は、最高温度が 200℃以下であり、かつ熱応力が降伏点を超えない場合に限定し、それ以外は全てGLIDCOPとする。基本的に受光面は斜入射構造とし、SPring-8 次期計画の最大パワー密度である 200W/mm2（直入射換算）を目安として設計する。冷却機構の設計については、小型化に対応可能な流路設計だけでなく、冷却水と放射光との相互作用によって引き起こされる受光部の腐食[4.3]を回避することも忘れてはならない。また、振動問題に対応するためにできるだけ流量を抑えることも重要である。
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表 4.2 単位セルあたりの各フォトンアブソーバが受けるパワー（TP）と最大パワー密度（PPD）。なお、最大パワー密度は直入射換算値を示す。
CR1 AB1 AB2 AB3 AB4 AB5
TP (kW) 1.02 1.42 0.45 2.10 1.44 0.57 PPD
(W/mm2) 203.0 123.9 14.3 184.1 170.4 20.0
CR2 AB6 AB7 AB8 AB9 AB10 Total
TP (kW) 2.14 1.53 0.52 1.09 1.42 0.61 14.29 PPD
(W/mm2) 184.1 144.0 14.5 204.3 137.6 2.5 ̶
参考文献 [4.1] H. Okuma, et al., Vacuum 86, 938 (2012). [4.2] S. Takahashi, et al., J. Synchrotron Rad. 15, 144 (2008). [4.3] M. Shoji, et al., Vacuum 84, 738 (2010).
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5. 高周波加速システム 蓄積リングの高周波加速システムの役割は、ビーム加速電圧を発生して偏向電磁石や挿入光源での放射光発生によって生じたビームエネルギー損失（放射損失）を補充するものである。ビーム電流400mAでリング１周あたりの放射損失が1.05MeV（挿入光源を含む）程度に及ぶため、連続420kWの高周波電力をビームに供給し続けなければならない。また、10時間以上のビーム寿命を確保するために3MV以上の加速電圧が必要であり、その生成に330kWの電力を必要とする。表5.1に高周波システムの関連パラメータを示す。
表 5.1 高周波関連パラメータ ・ビームエネルギー [GeV] 3 ・ビーム電流 [mA] 400 ・リング周長 [m] 354.094 ・ビーム周回周波数 [kHz] 846.7 ・ビーム加速周波数 [MHz] 508.00 ・ハーモニックナンバー 600 ・モーメンタムコンパクションファクター 4.4×10-4 ・エネルギーロス [MeV/turm] 1.05 偏向電磁石部（定常） 0.57 挿入光源（最大） 0.48 ・加速電圧 [MV] 3 ・エネルギー広がり σE/E [%] 0.082 ・シンクロナス位相 [°] 160 ・放射減衰時間（水平方向）[ms] < 8.7 ・放射減衰時間（垂直方向）[ms] < 12.4 ・シンクロトロン周波数 [kHz] 5.3 ・クライストロン [台] 1 ・加速空洞 [台] 4 ・加速電場生成パワー [kW] 330 ・ビーム電力負荷 [kW] 420 ・空洞位置のベータトロン関数 [m] 水平方向／垂直方向 13/3.0
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加速電圧の生成とビームエネルギー補充に必要な750kW以上の電力の生成と安定したビーム加速を実現するため、日本における高エネルギー物理学実験用加速器や放射光源リング［5.1,5.2］で長年に渡り培われてきた500MHz帯の高周波加速技術を用いて加速システムを構築する。この高周波帯域の技術は研究と改良が重ねられており、高い安定性と電力効率を有する。 電流値の大きいビーム加速を行う場合、高周波加速空洞の寄生高次モード（Higher-order mode、以下、HOM）によるビーム不安定性の問題が生じる。これはビーム自身が空洞に励起したHOMを介してビームの自己振動を増大させて行きビームが不安定運動するようになるものである。ビーム内のバンチ群が結合振動するため、バンチ間結合不安定性（Coupled-bunch instability、CBI）と呼ばれている。CBIはエミッタンスを悪化させるのみならず、ビーム損失を発生させる。これらの有害HOMによるCBIを抑え、大電流ビーム加速に必要な加速電場を生成するため、新型の高性能高周波加速空洞を導入する。 図5.1に高周波加速システムの構成図を示す。加速システムは（１）高周波源とその駆動電源、（２）大電力伝送系、（３）加速空洞、（４）出力安定化ローレベル制御系から成り、それぞれ以下に示す。ビームの安定加速には機器冷却水温の精密コントロールも必要であるが、そのための設備ユーティリティは13章に示す。
図 5.1 高周波加速システムの機器構成
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5.1 高周波源と駆動電源 750kW 以上の連続出力用高周波源としてクライストロンを用いる［5.3］。定格連続出力は 1.2MW、30 年以上の長期に渡って改良を加えられながら加速器施設で安定に運転されているクライストロンである[5.1,5.4]。表２にクライストロン定格を示す。東北放射光施設で利用する際は、運転周波数を 508MHzに調整する。このクライストロンで電子ビームに必要十分な高周波電力の供給ができ、将来、ビーム電流や挿入光源の増強等による高性能化を図る場合にも対応可能である。また、このクライストロンはアノード電極を持つ３極管である。アノード電圧を出力電力に応じて調整することにより 60～70%の高い電力効率で運転することができる。ゲインは 50dB以上あり、数Wのアンプにて定格出力まで駆動できる。平均寿命は３万時間以上、長寿命の高性能高周波源である。 表 5.2 クライストロン定格 ・動作周波数 508.58 MHz ・高周波最大出力 1.2 MW（CW）以上 ・効率 60% 以上 ・帯域幅（-1 dB） 0.7 MHz 以上 ・電力利得 50 dB 以上 ・定格運転電圧／電流 カソード 電圧／電流 90 kV／20 A アノード 電圧／電流 68 kV／3 mA ヒータ 電圧／電流 13 V／24 A 集束コイル 電圧／電流 650 V／10 A
5.2 大電力伝送系 クライストロンで発生した高周波電力を加速空洞に伝送するため、WR-1500規格の導波管立体回路にて大電力伝送系を構築する（図 5.2）。クライストロンの直下流にサーキュレータを設置して、加速空洞等で生じた反射電力からクライストロンを保護する。使用するサーキュレータは３ポート Y 型で、順方向電力 1.2MW、逆方向電力 650kW の耐大電力運転仕様である[5.7]。立体回路への挿入損失は 0.1dB以下、ポート間アイソレーションは 20dB以上、サーキュ
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レータ本体の電力反射率は-26dB 以下であるため、低電力損失、かつ、十分なクライストロン保護性能を持つ。空洞から反射された電力はサーキュレータの第３ポートに接続した 300kW ダミーロード（20μ 秒において最大許容電力3MW）に転送することにより、反射電力を吸収する。サーキュレータを出た高周波は３台のマジック T（電力分割器）により４分割、等分配で加速空洞へ伝送される。その途中の導波管に移相器を設置し、空洞で生成した加速電圧がビームと同期するように位相調整される。将来的に加速電圧が不足した場合には、サーキュレータの出口にマジック T を用いて電力を２分岐し、加速空洞 4 台で構成される同種セットを追加し対応する。
図 5.2 大電力伝送系構成図
5.3 加速空洞 蓄積リングの5m直線部に必要台数の加速空洞を収めなければならない。HOMによるCBIを抑制するため、HOMによって励起された電力を外部に取り出す専用導波管やパイプを設けた加速空洞［5.8, 5.9］が開発されているが、長さや占有体積が大きく、東北放射光リングの直線部に必要台数を設置することが
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難しい。そこでSPring-8次期計画用に開発がすすめられている新型加速空洞の採用を予定する。この空洞のビーム加速共振モードは、これまでのものと異なるTM020モードで、専用の導波管やパイプを用いることなく、コンパクトな収納長でHOM減衰を達成させる加速空洞である［5.10］。１台あたりの定格ビーム加速電圧は750kVであるため、４台で必要加速電圧３MVを発生させることができる。 図5.3に加速空洞の構造図を示す。空洞材質を無酸素銅とした場合のシミュレーションによるシャントインピーダンスは6.8MΩで、無負荷Q値は60300である(表5.3)。電子ビームに悪影響を及ぼすHOMの電磁場は空洞本体に設けた高周波吸収体内蔵スロットへ侵入し、大きく減衰する。図5.4はシミュレーションによって得られたモノポールHOM、ダイポールHOMのインピーダンス分布を表す。黒点は高周波吸収体のない場合、赤点は吸収体のある場合を表す。ビーム加速モードのインピーダンスは劣化せず、HOMインピーダンスはCBI閾値以下まで減衰する。 750kVの加速電力の発生のため、約 83kWの電力を空洞へ投入する。図 5.5は定格電力 1.5 倍の 125kW（加速電圧 920kV）で運転した場合の熱構造解析結果で、空洞本体の温度と相当応力の分布を表す。最大温度上昇は約 47℃、相当応力は無酸素銅の 0.2％耐力に対して 1/10 以下である。よって定格電力83kWでの運転では問題ないことがわかる。 空洞長は約 0.4m で空洞４台を 5m 直線部に余裕をもって収納できる。同直線部には空間が十分に残るため、将来、加速電圧の増強が必要となる場合でも近隣の機器配置を変更することなく空洞の増設が可能である。更に空洞間の結合が無いようにマルチセル化して接合し、各空洞を個別の入力カップラーで運転すれば、空洞収納長は更に縮小できる。 設計した空洞の高周波性能を確認するため、アルミ合金製実寸大モデルを製作した（図 5.6）［5.11］。吸収体としてフェライトを装着すると、TM110、TM011等の主要なHOMのQ値は 100未満となり、試算値を超える十分な減衰性能が得られた。加速モードの Q 値は約 4%程度低下したが、スロット形状とフェライト配置の最適化により、この低下量を 1%に抑え、真空状態 125kW以上で大電力運転可能であることを実証するプロトタイプ機を製作中である。2016年度には実際の加速運転を想定した試験を行う予定である。
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表 5.3 ビーム加速 TM020 モードの高周波特性 ・シャントインピーダンス Rsh [MΩ] 6.8 ・無負荷Q値 60300 ・Rsh/Q [Ω] 113
図 5.3 高周波加速空洞
図 5.4 モノポール（左）ダイポール（右）共振モードのインピーダンス分布。
青丸はビーム加速モードを表す。
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表 5.3 ビーム加速 TM020 モードの高周波特性 ・シャントインピーダンス Rsh [MΩ] 6.8 ・無負荷 Q値 60300 ・Rsh/Q [Ω] 113
図 5.3 高周波加速空洞
図 5.4 モノポール（左）ダイポール（右）共振モードのインピーダンス分布。 青丸はビーム加速モードを表す。
TM020加速モードインピーダンス劣化なし
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図 5.5 125kW運転での熱構造解析の結果（冷却水温 30℃）。 （左）温度（右）相当応力（変形は誇張表示）を示す。
図 5.6 実寸大アルミモデル空洞。（左）全体外観（右）空洞内面。
空洞内へ電力供給するには高周波入力カップラーを用いる。カップラーは真空状態にある加速空洞と大気状態で運転する電力伝送回路を結合させるため、大電力透過と共に真空封止機能を持つ必要がある。これまでのカップラーは最大ビーム負荷の合わせた結合係数固定タイプのもので、立ち上げ時や運転調整
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時等で定格のビーム運転を行わない場合、不要反射電力を生じていた。今回の空洞には真空封止状態を維持し、ビーム負荷の変化に応じて結合度を変えることができるカップラーを採用する［5.12］。図 5.7 にカップラーの構造図を記す。導波管に繋がる空洞アイリスより高周波電力は入力される。可変長の銅製プランジャー（カップリングチューナー）が、このアイリス前の導波管側に設置され、プランジャー挿入長を変えることによって結合度を可変させることができる。これにより、負荷不整合による反射電力を削減した加速運転が可能となる。入力カップラーの外部導波管回路への最適結合係数は空洞内壁の高周波損失とビーム負荷の比で決まる。東北リングの場合、ビーム電流が 400mA の場合、その最適係数は 2.3 となる。しかしながら、ビーム入射前の加速電圧の生成時やビーム電流が規定値よりも小さく運転する場合、負荷不整合状態による電力反射は入力電力の 16%に及ぶ。図 5.7 にシミュレーションによる結合係数とチューナー長の関係を表す。結合係数は１から４以上まで任意の値に設定することができる。これにより変動するビーム負荷を持つ空洞を常に外部回路と整合させ、電力反射のない運転を継続することができる。 空洞を真空封止するセラミックス窓は導波管部での接続型を用いる[5.13]。銅板に開けた R 付矩形アイリスに低損失アルミナ(誘電損失<0.0001)を接合した構造でセラミックス破損時には窓のみ簡便に交換可能である。VSWRが 1.1 以下となる帯域は 30MHz 以上、空洞あたりの連続電力 200kW 以上を透過させることができる。
図 5.7 結合度可変カップラー（左）とカップリング調整範囲（右）。青丸はカップリ
ングチューナー、βは結合係数を表す。
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時等で定格のビーム運転を行わない場合、不要反射電力を生じていた。今回の空洞には真空封止状態を維持し、ビーム負荷の変化に応じて結合度を変えることができるカップラーを採用する［5.12］。図 5.7 にカップラーの構造図を記す。導波管に繋がる空洞アイリスより高周波電力は入力される。可変長の銅製プランジャー（カップリングチューナー）が、このアイリス前の導波管側に設置され、プランジャー挿入長を変えることによって結合度を可変させることができる。これにより、負荷不整合による反射電力を削減した加速運転が可能となる。入力カップラーの外部導波管回路への最適結合係数は空洞内壁の高周波損失とビーム負荷の比で決まる。東北リングの場合、ビーム電流が 400mA の場合、その最適係数は 2.3 となる。しかしながら、ビーム入射前の加速電圧の生成時やビーム電流が規定値よりも小さく運転する場合、負荷不整合状態による電力反射は入力電力の 16%に及ぶ。図 5.7 にシミュレーションによる結合係数とチューナー長の関係を表す。結合係数は１から４以上まで任意の値に設定することができる。これにより変動するビーム負荷を持つ空洞を常に外部回路と整合させ、電力反射のない運転を継続することができる。 空洞を真空封止するセラミックス窓は導波管部での接続型を用いる[5.13]。銅板に開けた R 付矩形アイリスに低損失アルミナ(誘電損失<0.0001)を接合した構造でセラミックス破損時には窓のみ簡便に交換可能である。VSWRが 1.1 以下となる帯域は 30MHz 以上、空洞あたりの連続電力 200kW 以上を透過させることができる。
図 5.7 結合度可変カップラー（左）とカップリング調整範囲（右）。青丸はカップリ
ングチューナー、βは結合係数を表す。
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5.4 ローレベル制御 ビーム負荷や気温・水温等の環境変化に依らず、加速電圧を安定化させるため、高周波ローレベル系制御システムを使用する。図 5.8 に制御系の構成を示す。このシステムにより振幅変動を１％以下、位相変動を１°以下に抑えた安定加速電圧を得ることができる。改良を重ねた高い安定性能と信頼性を持つモジュールを用いて、このローレベル制御システムを構築する [5.14, 5.15]。一方、デジタル化することによって制御精度の向上とモジュール使用数の大幅な削減を可能にするシステム制御機器も現在開発中である。 クライストロン出力は２層のフィードバック回路にて安定化される。内側フィードバック（図 5.8 赤線）は数 kHz の制御帯域を有し、クライストロン電源の高圧部リプルによる速い出力変動を安定化する。外側フィードバック（図 5.8青線）はビーム負荷や環境温度の変化、冷却水温の変動等による数Hzオーダーの緩やかな変動を補正するためのものである。 加速空洞の共振周波数は加速空洞に取り付けたモーター駆動のプランジャー（周波数チューナー）によって行われる。周波数チューナーを空洞内へ挿入、引き出しすることによって共振周波数を調整することができる。空洞への入力高周波と空洞内加速電場の位相差を検出し、ビーム負荷によるリアクタンス成分や空洞温度変化による周波数シフトを補償するように周波数チューナーの位置制御を行う（図 5.8 黄線）。また、ビーム負荷に合わせて空洞との結合度を最適値に調整し、空洞からの電力反射を抑えるコントローラも組み込む。
図 5.8 加速電圧安定化ローレベル制御系構成
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ローレベル制御部は高周波機器の運転状態を監視、異常検出してインターロック処理も行う。機器異常の発生時には高周波スイッチを高速遮断し、クライストロンの励振を停止して高周波機器を保護する。 参考文献 [5.1] http://www-acc.kek.jp/kekb/ [5.2] Y. Kawashima et al., Proc. of EPAC08, Genoa, p. 1485 (2008). [5.3] S. Isagawa et al., Proc. of PAC87, Washington D.C., p. 1934
(1987). [5.4] M. Hara et al., J. Synchrotron Rad.5, 379 (1998). [5.5] N. Kumagai et al., Proc. of Int. Power Electronics Conf., Yokohama,
p. 1497 (1995). [5.6] H. Baba et al., Proc. of PAC87, Washington D.C., p. 1523 (1987). [5.7] H. Ego et al., Proc. of EPAC94, London, p. 1865 (1994). [5.8] Koseki et al., Proc. of PAC95, Dallas, p. 1794 (1995). [5.9] T. Kageyama et al., Proc. of PAC97, Vancouver, p. 2902 (1997). [5.10] http://www.spring8.or.jp/pdf/ja/sp8II/pr/47-49.pdf. [5.11] H. Ego 他, 第 11 回日本加速器学会年会プロシーディングス, 青森市、
p. 237 (2014). [5.12] H. Ego, Nucl. Instr. Meth. A564, p. 74 (2006). [5.13] H. Ego 他, 第９回日本加速器学会年会プロシーディング, 豊中市、p.
154 (2012). [5.14] E. Ezura et al., Proc. of PAC87, Washington D.C., p. 1660 (1987). [5.15] M. Hara et al., Proc. of PAC97, Vancouver, p. 2971 (1997).
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6. ビーム診断系 6.1 ビーム診断系の概要 本計画が目指す高品質の放射光ビームを利用運転で実現する上で、電子ビームの状態を測定し制御するためのビーム診断系が重要な役割を担う。本章では、入射ビーム輸送路の蓄積リング入射点付近と蓄積リングに設置するビーム診断機器について述べる。 入射ビーム輸送路の蓄積リング入射点付近には、表 6.1 に挙げた機器を設置する。7章に述べる入射システムを用いてビーム損失を抑制した安定なビーム入射を行うためには、入射ビームのサイズを調整しセプタム壁とのクリアランスを十分に確保することと、蓄積リングのバンプ軌道に対して輸送路の入射ビーム軌道を調整し入射されたビームのベータトロン振動の振幅を抑制することが、必要である。このため、入射ビームのサイズを測定するためのOTRを用いるスクリーンモニタと、入射ビーム軌道の位置と角度を同時に測定するための２台のビーム位置モニタ（BPM）を設置する。また、入射ビームの電荷量を測定するモニタ（CT）を設置して、後述する蓄積リングの電流モニタ（DCCT並びにCT）による測定データと合わせて、ビーム入射の効率を評価する。 蓄積リングには、表 6.2 に挙げたモニタ機器とビーム不安定性抑制装置を設置する。蓄積リングに設置するビーム診断系機器の設計では、4 章で述べた小口径真空チェンバの下で、蓄積電流 400mA で多様なビーム・フィリング・パターンでの安定な利用運転を達成するために、インピーダンスを低減する配慮が必要である。従って、インピーダンスを増大する構造を伴うスクリーンモニタは、設置しないこととする。コミッショニング時のビーム入射・蓄積のために必要な周回毎のビーム軌道測定には、後述するビーム位置モニタ（BPM）を用いることとする。 利用運転での top-up 入射のため、蓄積リングには、蓄積電流を精度良く測定する蓄積電流モニタ（DCCT）と、ビーム・フィリング・パターンを測定するバンチ電流モニタ（CT）を設置する。ベータトロンチューンモニタは、挿入光源のギャップ駆動に伴って生じるチューンシフトを監視し必要に応じてチューンを自動補正するために、リアルタイムでの測定機能を持つモニタを、今後詳細に検討する。リアルタイムでのチューン測定には、後述するビーム不安定性抑制装置（BBF）を用いて得られる信号を活用することも可能である。
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安定な放射光ビームをユーザに供給するためには、ビームラインの光軸を精度良く測定できる安定な光位置モニタが必要となる。既存のブレード型光位置モニタ（XBPM）は、放射光ビームのピークから離れた裾を検出する方式のため挿入光源のギャップに依存して変動するオフセットを生じる問題点があり、これをこのまま本計画へ適用することは適当ではない。SPring-8 の次期計画に向けた光位置モニタの開発動向などを参考に、今後詳細を検討する必要がある。 各ビームラインの発光点でのビームサイズは、リングの 1 箇所でのエミッタンス及び結合比測定と、BPM を用いる軌道レスポンス解析（orbit response matrix analysis）をもとに評価する。エミッタンスと結合比は、偏向電磁石中の 1点を選び、放射光を用いるビームサイズモニタで測定する。 BPM、光位置モニタ、ビームサイズモニタ以外の蓄積リングのモニタ機器と、ビーム不安定性抑制装置（BBF）は、リングの短直線部に設置するものとする。
表 6.1 入射ビーム輸送路のビーム診断系機器
機器名 数量
ビームサイズモニタ ビーム位置モニタ（BPM） 電荷量モニタ（CT）
1 台 2 台 1 台
表 6.2 蓄積リングのビーム診断系機器
機器名 数量
ビーム位置モニタ（BPM） 蓄積電流モニタ（DCCT） バンチ電流モニタ（CT） ベータトロンチューンモニタ 光位置モニタ ビームサイズモニタ ビーム不安定性抑制装置（BBF）
160 台 （10 台/セル） 1 台 1 台 1 台
ビームライン毎に 1式 1 台 1 式
6.2 ビーム位置モニタ 2 章に記したように、1 セルあたり 10 台の BPM を設置する。BPM の信号
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検出用電極は、SPring-8 の次期計画のため開発中のボタン型電極を用いる。この電極は、本計画と同様に小口径真空チェンバに取付けるため、インピーダンスと発熱を低減する設計がなされている。真空チェンバのボタン型BPM電極を取付ける部分は他より肉厚のブロック構造とする。BPM 電極取付部（BPM ブロック）断面の概念図を図 6.1 に示す。4 章に記された真空チェンバのビーム室形状に対応する配置での位置感度係数は水平、垂直ともに 7mm 程度と見積もられる。BPMブロックの外面には、隣接する四極電磁石や六極電磁石との位置関係を測定するために、基準座を設けることとする。
図 6.1 BPMの電極取付部（BPMブロック）
BPMの信号処理回路は、蓄積リングのコミッショニング時にビーム入射・蓄積の調整に活用するために、周回毎にビーム軌道の位置を高感度で測定できる機能が必要である。挿入光源が設置される単直線部・長直線部の両端のBPMの信号処理回路には、ビームライン光軸の異常を電子ビームの位置から検知するインターロック機能が必要となる。利用運転に必要な、ビーム軌道安定化のための高分解能ビーム位置測定、インターロック機能、機器のトラブル等でビームが失われた時の軌道変動診断などを実現するためには、信号処理回路からturn-by-turn、10kHz、10Hz などの異なるレートで同時にデータを取得でき
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る必要がある。本光源計画に必要な機能と性能とを満たすBPM信号処理回路として、SPring-8 の次期計画のため開発が進められている BPM信号処理回路、または多くの放射光源リングでの使用実績のある Instrumentation Technologies 社製の Libera Brilliance+ [6.1]の採用を検討する。 安定な放射光ビームを利用運転で供給するためには、電子ビームの軌道安定化が必要である。このためには、電極や信号処理回路の設計はもとより、システムとして長期にわたって安定であるBPMを設計することが重要である。ボタン型電極と信号処理回路とを繋ぐ信号伝送系の設計では、損失の低減やインピーダンスのマッチングに配慮したケーブルの選定とともに、ケーブルの放射線照射などによる経年劣化への対策が不可欠となる。また、BPMブロックを固定するサポートは、使用環境での温度条件などを考慮した上で今後詳細な構造を設計することとする。 コミッショニングに向けた運転開始前のBPMの位置較正の手順は、今後、コミッショニングシナリオ等の策定に応じ、目標とする位置測定精度とともに必要な検討を行う。ビーム蓄積後は、速やかにビームを用いる位置較正（beam based alignment）を実施し、隣接する四極電磁石や六極電磁石の磁場中心に対するBPMのオフセットを 10μm以下の精度で較正する。
6.3 放射光を用いたビームサイズモニタ 電子ビームのエミッタンスと結合比を測定するために、偏向電磁石からの放射光を用いるビームサイズモニタを設置する。数ミクロンの空間分解能を達成するために、SPring-8 で使用実績のある二次元放射光干渉計[6.2]もしくは X線ピンホールカメラ[6.3]を参考に今後詳細を検討する。各ビームラインの発光点を含むリング全周でのビームサイズの分布は、ビームサイズモニタの測定結果と、BPMを用いる軌道レスポンス解析（orbit response matrix analysis）の結果をもとに評価する。 6.4 ビーム不安定性抑制 4 章で述べた小口径真空チェンバの下、多様なビーム・フィリング・パターンで蓄積電流 400mA の安定な利用運転を実施するためには、ビーム不安定性への対策が重要となる。利用運転の開始時期から実施が想定される top-up 運転では、ビーム入射時のビーム損失を極力低減するために、クロマティシティが
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小さい状態とすることが求められる。このため、横方向のビーム不安定性を抑制する装置（bunch-by-bunch feedback system, BBF)を運転開始当初から導入する。SPring-8 で開発されて運用実績のある FPGAをベースとするBBFシステム（図 6.2）[6.4]を参考に今後詳細を検討する。 BBF システムを用いて得られる信号は、前述したようにリアルタイムでのベータトロンチューン測定に活用することも検討する。
図6.2 SPring-8で開発されたFPGAをベースとする横方向のビーム不安定性抑制装置
（BBF システム）のブロック図
参考文献 [6.1] http://www.i-tech.si [6.2] M. Masaki, et al., J. Synchrotron Rad. 10, 295 (2003). [6.3] S. Takano, et al., Proc. of IBIC15, Melbourne, TUCLA02 (2015). [6.4] T. Nakamura, et al., Proc. of EPAC04, Lucerne, p. 2649 (2004).
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7. 入射システム 電子ビームの入射には、通常の挿入光源設置用直線部（～5.4m）に 4台のバンプ電磁石とセプタム電磁石を設置し、リングの内側からの蓄積ビームに対し水平方向に変位した位置にビームを入射する off-axis 方式を採用する。入射器として SACLA で開発された高輝度線型加速器を採用することで、入射ビームのエミッタンスが通常のシンクロトロンを入射器とした場合の100分の1程度と小さな値が利用でき、入射システムのコンパクト化、並びに高効率安定ビーム入射を実現する。
図 7.1 入射システムの概要。図中の単位なしの数字はミリメートルを表す。
入射システムの概要を図 7.1 に示す。入射システムは 4 台のバンプ電磁石（BP1～BP4）と 2 台のセプタム電磁石（Sep1,Sep2）、入射部チェンバとセラミックチェンバ等から構成される。ビームコミッショニング時に必要なon-axis 入射には、両側のステアリング磁石を用いてDCバンプを補助的に立てる事とする。また実験ユーザに入射時のビーム変動が影響を与えない様、バンプ軌道の内側に六極電磁石等の非線形磁石を設置しない構成とする。 表 7.1 に入射点でのビームパラメータを、図 7.2 に入射点での入射ビームと蓄積ビーム軌道の位置関係を示す。入射点での実効ビームサイズ(r.m.s.)は、入射ビームが 105μm (σLi)、蓄積ビームが 109μm(σSR )である。渦電流シールド板の実効的厚さと、磁場シールドを兼ねたビームチェンバ壁の厚さの和は、加工精度を含めて ts=3mmとする。
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7. 入射システム 電子ビームの入射には、通常の挿入光源設置用直線部（～5.4m）に 4台のバンプ電磁石とセプタム電磁石を設置し、リングの内側からの蓄積ビームに対し水平方向に変位した位置にビームを入射する off-axis 方式を採用する。入射器として SACLA で開発された高輝度線型加速器を採用することで、入射ビームのエミッタンスが通常のシンクロトロンを入射器とした場合の100分の1程度と小さな値が利用でき、入射システムのコンパクト化、並びに高効率安定ビーム入射を実現する。
図 7.1 入射システムの概要。図中の単位なしの数字はミリメートルを表す。
入射システムの概要を図 7.1 に示す。入射システムは 4 台のバンプ電磁石（BP1～BP4）と 2 台のセプタム電磁石（Sep1,Sep2）、入射部チェンバとセラミックチェンバ等から構成される。ビームコミッショニング時に必要なon-axis 入射には、両側のステアリング磁石を用いてDCバンプを補助的に立てる事とする。また実験ユーザに入射時のビーム変動が影響を与えない様、バンプ軌道の内側に六極電磁石等の非線形磁石を設置しない構成とする。 表 7.1 に入射点でのビームパラメータを、図 7.2 に入射点での入射ビームと蓄積ビーム軌道の位置関係を示す。入射点での実効ビームサイズ(r.m.s.)は、入射ビームが 105μm (σLi)、蓄積ビームが 109μm(σSR )である。渦電流シールド板の実効的厚さと、磁場シールドを兼ねたビームチェンバ壁の厚さの和は、加工精度を含めて ts=3mmとする。
5400BP1 BP2 BP4BP31150 11501100
Sep1 B = 0.7T, L =1m Eddy current type
89.6
Sep2 B = 0.75T L = 1m DC
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入射に必要なバンプ軌道XBは、入射点内側の物理口径をどこまで確保するかで決まる。ここの口径を狭くすればバンプ電磁石の設計は容易になる。一方でパルス駆動のセプタム磁石の隔壁にリングの定常周回軌道、並びにバンプ軌道が接近し、ビーム不安定性や様々なビームロスの要因ともなる。さらに狭い口径はチューニング上の不都合を与える場合もある。ここではビーム周回軌道からセプタム壁までの距離を 9.6mm に設定する。この値は、通常の直線部チェンバ片側アパーチャの約 64%に当たる。さらにバンプ軌道と内側チェンバ壁の間隔を入射時のビームロス抑制に必要となる値より 1mm 大きくしておく。入射ビームのコヒーレントな振幅DX = 5×σSR＋6×σLi＋セプタム壁の実効的厚さ(tsep)＋真空チェンバ厚(tvacc)＋内側余裕(1.0mm)=5.3mmとなる。入射部で許容できるCODの最大振幅XCOD=XB - DX=2.7 mmとなる。CODは事前に実施される on-axis 入射によるビーム調整、ビーム蓄積により、XCODより十分小さくする事は容易である。なお、立ち上げ時およびビーム調整時にOn-axis 入射が必要となる場合には、ステアリング電磁石で DC バンプ軌道を作り、パルスバンプ軌道と重ね合わせる。
表 7.1 入射点での蓄積ビームおよび入射ビームのパラメータ 入射点でのビームパラメータ Symbol 入射ビーム 周回ビーム 水平エミッタンス εx 0.85nm rad 0.92nm rad エネルギー分散 σE/E 0.1% 0.082 % ベータ関数と運動量分散関数 βx、Dx 13m, 0.0m ビームサイズ (σ) σx 105μm 109μm
図 7.2 入射点での入射ビームと蓄積ビーム軌道の位置関係。図中の数字の単位はミリメートル。
52
図 7.3 バンプ電磁石の形状。図中の数字の単位はミリメートル。
バンプ電磁石は入射点でリング軌道を 8mm リング内側にシフトさせる励磁
量を担保するため window-frame 型とし、コア材には磁気・電気特性Br=450mT、Hc=28A/m、ρ＞100Ωm の Ni-Zn(3K)を用いる。真空ダクトの内径は水平 20mm、垂直 8mmとし肉厚 4mm程度のセラミックチェンバとする。図 7.3 にバンプ電磁石の形状を示す。 Sep１はセクター型の渦電流型パルス電磁石で、鉄心は 0.1mm の珪素鋼板
を積層する。入射時のビーム損失とエミッタンスの劣化を出来る限り避けるため真空チェンバ中に設置する。セプタムチャンバは二重構造でリング側の超高真空は電磁ステンレスダクトで保持しセプタムはリング側真空と 0.2mm 厚のBe窓を介し輸送系側真空と繋げる。Sep2は気中設置とし、パターンまたはDC型セプタムとする。鉄芯材は 0.5mm 厚の珪素鋼板または電磁軟鉄とし、コイルは水冷する。
表 7.2 入射電磁石主要諸元 バンプ電磁石
(B1, B2, B3, B4) セプタム電磁石 (Sep1)
セプタム電磁石 (Sep2)
電磁石の型 Window-frame 型 渦電流型 DC型 形状 矩形型 セクター型 セクター型 B(T) 0.19 0.7 0.75 電磁石長(m) 0.3 1.0 1.0 間隙長(mm) 20 12 15 パルス幅（μｓ） 2.2(half-sine) 50（half-sine） 繰り返し (Hz) 1 1 DC 電流値(A) 3200 3400 900
53
巻き数 １ 2 10 鉄芯材 Ni-Zn(3K) 0.1mm厚珪素鋼板 珪素鋼板または、
電磁軟鉄 チェンバ セラミックチェンバ 真空封止型 SUS チェンバ バンプ電磁石およびセプタム電磁石電源の主要諸元を表７.3 に示す。蓄積ビームがバンプ軌道を通過する際に受ける残留キックを、蓄積ビームの角度広がりの 1/3 の 3μrad 以下に抑えため、波長短縮率の小さな同軸ケーブル(15D-4AF や 12D-SFA 等)を採用すると共に４台のバンプ電磁石は直列駆動方式とする。電源の半導体化を前提とした並列駆動方式の得失を十分検討した上で駆動方式については最終決定する。
表７.3 入射用電磁石電源の諸元
バンプ電磁石電源 セプタム電源 Sep1 電源
セプタム電源 Sep2 電源
台数 1 １ １ 電圧(kV) 40 2.5 電流(kA) 3.2 3.4 0.9 パルス幅(μs) 2.2（half-sine） 50（half-sine） DC インダクタンス(μH） Lmag=3.32
Lcab=5.2 Lmag=5.3 Lcab=5.2
54
8. 入射器 8.1 入射器の概要 入射器に要求される仕様を表 8.1 に示す。リング入射器としては初期建設費がやや安価であるシンクロトロンという選択肢もあった。しかしながらシンクロトロンは運転経費（電力費用）が高く、10年程度の運転でライナック建設費を上回る見込みで、コストメリットが無く本計画の省電力というコンセプトに合致しない点と将来的な発展性が無いという点、また理化学研究所放射光科学総合研究センターの SACLA で高精度、高安定な線形加速器の実績があることから[8.1]、SLiT-J 入射器としては線形加速器を選択した。
表 8.1 入射器要求仕様
項目 入射器要求仕様
Beam energy E 3GeV Energy spread ⊿E/E ＜0.1％（1σ） Energy stability δE ＜0.1％（1σ） Beam charge Q 0.3nC/sec Charge stability δQ ～1％ Normalized emittance βγε ＜5πmm・mrad Un-normalized emittance ε ＜1nmrad Bunch length σz ＜5ps Repetition rate frep 25Hz(max)
図 8.1 に入射器線形加速器概略図を示す。線形加速器全長を短くして建屋建設費を抑制するために高電界加速を行う点と省電力の点から主加速部は理研SACLAと同じCバンド 5712MHz を選択した。運転はシングルバンチモードのみを想定しているため、加速管は Cバンドディスクロード型 2m管とし、軸上電界 40MV/m、加速管 2本で 1ユニットとして 19ユニットで電子ビームを3GeVまで加速する。最初の 3ユニットは 1ユニット毎、後半は 4ユニット毎に四極電磁石とビームモニタを配置する。 電子銃は、電子ビーム集群部を単純化して建設費を抑制する点と、機器の安定度、メンテナンスの容易さの点から東北大学で使用実績のある S バンド
55
（2856MHz）ITC 型熱カソード RF 電子銃を選択した。RF 電子銃から出射したマクロパルス幅 0.4μs、エネルギー約 1.9MeVの電子ビームをビームチョッパで 1ns（350ps 間隔 3バンチ）に切り出し、エネルギーフィルタでエネルギー幅 0.06MeV、ミクロバンチ幅約 15ps 分の電子ビームを透過させる。後段のS バンド 2m 管で 30MeV 程度まで加速すると同時に電子バンチ内にエネルギー変調かけ、シケイン（BC）にてバンチ長を 1ps 程度に圧縮する。 図 8.2、8.3 に計算機コード PARMELA で計算した BC 出口のビームエミッタンスと位相空間分布を示す。計算上では x,y 方向共に規格化エミッタンスは2πmm・mrad 程度、バンチ幅は 1ps 程度、エネルギー分散 2.4MeV でリングの要求仕様を十分満たす。ビームエネルギーは 33.8MeVで、RF電子銃カソード出力電流値は 600mA に設定し透過率 9.5％、1 バンチ（2856MHz の）あたりの電荷量は 0.02nC、3バンチ 5Hz で毎秒 0.3nCであった。表 8.2 にシケイン出口の PARMELAで計算結果をまとめた。
図 8.1 入射器概略図
ビームチョッパ
エネルギー フィルタ
56
図 8.2 BC 出口ビームエミッタンス
図 8.3 BC 出口ビーム位相空間分布
表 8.2 BC 出口 PARMELA 解析結果
項目 入射器要求仕様
Beam energy E 33.8MeV Energy spread ⊿E 2.4MeV（全幅） Beam charge Q 0.02nC×3bunch×5Hz
=0.3nC/sec Normalized emittance βγεx 2.1πmm・mrad
βγεy 2.3πmm・mrad
Bunch length σz 1ps Repetition rate frep 5Hz
mrad mrad
cm cm
keV N
deg deg
全幅
2.4MeV
全幅
1ps
規格化エミッタンス
βγεx=2.1πmm・mrad 規格化エミッタンス
βγεy=2.3πmm・mrad
ビーム進行方向
ビーム進行方向
57
8.2 RF 電子銃 電子銃は、電子ビーム集群部を単純化して建設費を抑制するためにRF電子銃を選択した。RF 電子銃にはフォトカソード型と熱カソード型の 2 種類がある。フォトカソード型 RF 電子銃は米国 SLAC LCLS での長時間運転実績があるが[8.2]、フォトカソード用レーザーのメンテナンス性と毎週行うフォトカソードのエミッション回復作業の煩雑さを避けるため、SLiT-J 入射器用としては熱カソード型を選択した。熱カソード型電子銃はスウェーデンMAXLABのMAXⅡ入射器用として 2004年から運転されており[8.3]、2015 年にはMAX Ⅳリングへビームの入射を開始しており、リングへの入射実績としては十分である。 SLiT-J 入射器用の熱カソード型RF電子銃としては、東北大学で 2005年に開発され[8.4]、2013 年よりシンクロトンリングへの入射を行っているSバンド（2856MHz）ITC型熱カソードRF電子銃を選択した。本電子銃（図8.4）は独立可変 2空洞のRF電子銃でリエントラント型の第 1空洞にφ3mmのCeB6熱カソードが設置されている｡カソード最大表面電界は約 25MV/m強で、第 1空洞で約300kVで引き出された電子は、第 2空洞の加速位相で増速され、エネルギー約 1.9MeVで RF電子銃より出力する。 現状 ITC型 RF電子銃の各空洞のカップリング係数βeは 4強で、フィリングタイムは 0.25μs程度、3μs幅のマイクロ波を投入し、2μs幅の電子ビームを出力させている。SLiT-J 入射器のビーム出力はシングルバンチで良いため、本 ITC型 RF電子銃のカップリング係数βeを15に変更し、フィリングタイム tFを短くすることにより入力マイクロ波のパルス
図 8.4 ITC 型熱カソード RF電子銃
カソード
第 1 空洞
第 2 空洞
マイクロ波
マイクロ波
58
幅を短くし、マイクロ波パルス内のバックスキャッタ起因のビームカレント上昇によるビーム不安定を抑制すると同時に、カソード材質変更も含めたRF電子銃出力電流増強に対応可能なものとする。表 8.３に本 ITC型 RF電子銃の現状仕様とSLiT-J 入射器用に変更した仕様を示す。PARMELAでシミュレーションを行った時のカソードエミッション電流密度は現時点では 8.5A/cm2に設定した。
表 8.３ ITC 型 RF 電子銃仕様比較 項目 現仕様 SLiT-J 仕様
入力マイクロ波パルス幅 3μs 0.4μs
出力ビームパルス幅 2μs 1ns
第 1 空洞 カソード表面電界 25MV/m ←
カップリングβe 4.26 15
Q0 8232 ←
フィリングタイム tF 0.17μs 0.057μs
入力パワーP0 92kW 332kW
第 2空洞 最大軸上電界 70MV/m ←
カップリングβe 4.59 15
Q0 12653 ←
フィリングタイム tF 0.25μs 0.088μs
入力パワーP0 2.4MW 6.2MW
8.3 ビームチョッパ ITC 型 RF 電子銃から出射したロングパルスの電子ビームを 1ns 幅に切り出すために、ITC 型 RF 電子銃後段にビームチョッパを設置する。ビームチョッパとは1組のビーム偏向用空芯コイルと、コイル磁場と直交方向に電界を生成する2枚の
図 8.5 ビームチョッパの構成
59
平行平板電極および、後段に設置されたコリメータで構成されており、平行平板電極にパルス電圧を印加し、印加パルス幅に応じたパルス幅の電子ビームを切り出すもので、図 8.６にビーム切り出し動作のイメージを示す。本ビームチョッパは理研 SACLA においてもビーム切り出し用として使用されており[8.5]、SLiT-J 用としてもその詳細仕様は SACLA に準ずる。しかしながら、理研SACLA と SLiT-J の場合はビームチョッパに入射するビームエネルギーが異なるため、平行平板電極長さ及び電極からコリメータまでのドリフト距離を変更する。これを表 8.４に比較して示す。ビームチョッパによって与えられる変位はSACLAの場合で 9.0mm、SLiT-J の場合で 10.4mmである。
図 8.６ ビームチョッパ切り出し動作イメージ
表 8.４ ビームチョッパ仕様比較
理研 SACLA SLiT-J
入射ビームエネルギー 500keV 1.9MeV 印加電圧 V 3kV ← 平行平板間隔 d 15mm ← 平行平板長さ L1 150mm 300mm ドリフト距離 L2 150mm 250mm 垂直方向変位 y 8.96mm 10.4mm ビーム切り出し時間 1ns ← パルス充填時間 0.5ns 1ns ビーム通過時間 0.58ns 1.02ns パルサーパルス幅 2.1ns 3ns
60
8.4 バンチコンプレッサ ITC 型 RF電子銃より出射し、エネルギーフィルタを通過した電子ビームのバンチは 15～20ps 程度の長さを持っている。この電子ビームをCバンド加速管でクレスト加速すると位相分散によりエネルギー分散を生じ、バンチ内に 4～6％のエネルギー差を持つことになり、リングの要求であるエネルギー分散0.1％という要求値を大幅に逸脱する。このため、Cバンド加速管クレスト加速前にバンチコンプレッサにてバンチ長を圧縮する。 バンチコンプレッサはエネルギー変調用加速管と偏向電磁石 4 台からなるシケインで構成される。バンチをエネルギー変調用加速管のマイクロ波クレストよりも早い位相で加速するとバンチ後半は前半よりも高いエネルギーを持ち、このバンチがシケインを通過すると、高エネルギー部は低エネルギー部よりも短い軌道を通過するために、高いエネルギーを持つバンチ後半がバンチ前半に接近し、バンチ長が圧縮される。
図 8.７ バンチコンプレッサの概念図
図 8.７にバンチコンプレッサの概念図を示す。シケインへの入射エネルギーが低い方がバンチ圧縮率は大きくなるが、低いエネルギーでバンチ圧縮をかけるとエミッタンスの増大を招くため、シケインへの入射エネルギーは 30MeV以上に設定した。また大きなエネルギー変調をかけた方がバンチ圧縮率は大きくなるが、リングからの要請でエネルギー分散 0.1％という要求値があるため、エネルギー変調加速管ではエネルギー変調幅は 3MeV以下とした。実際には後
61
段の C バンド加速管でオフクレスト加速を行えばエネルギー分散を減少させられるが、ここでは考慮しないこととした。また、シケインの基本設計はSACLAの BC1シケインに準拠し、大幅な変更は行わないこととし、バンチコンプレッサの設計を行った。 表 8.５にエネルギー変調加速管の仕様を、表 8.６にシケインの仕様を示す。エネルギー変調用加速管は S バンド進行波型加速管で、RF 電子銃側の要請で、Sバンドのマイクロ波パルス幅は 0.4μsと短いため、フィリングタイムの短い2m加速管を採用した。Sバンドマイクロ波源は 50MW出力のものを想定しており、RF 電子銃に 10MWのパワーを供給したとしても、本加速管への入力パワーは十分に余力がある。本加速管のマイクロ波クレストより 24°前側でバンチを加速し、シケインでバンチ圧縮する。シケインの偏向角は 7.8deg とややSACLA よりも大きめであるが偏向電磁石の磁場は 52mT で製作不可能な値ではない。 図 8.８にシケイン前後での、PARMELA計算結果を示す。シケイン入射時は17ps 程度あったバンチ長がコンプレッサーで 1ps 長さまで圧縮されていることがわかる。本計算ではシケイン直線部に設置したビームスリットでわずかに高エネルギー側を削っている。
表 8.５ エネルギー変調用加速管仕様
項目 仕様
運転周波数 2856MHz 加速モード 2π/3 モード、進行波 セル数 57+2 カプラーセル 減衰定数τ 0.25 フィリングタイム tF 0.377μs 入口ビームホール径 26.330mm 出口ビームホール径 22.866mm 入力パワー 27MW 加速電圧 34.9MV 加速位相 24°
62
表 8.６ バンチコンプレッサ仕様
項目 仕様
偏向電磁石長 LB 300mm 偏向電磁石間隔 1m 偏向角 7.8° 偏向電磁石磁場 52mT
図 8.８ バンチ圧縮前後でのバンチ位相空間分布（PARMELA 計算結果）
8.5 C バンドユニット 主加速部の加速管は C バンド（5712MHz）ディスクロード型 2m 管で、主力 50MWのRF源（クライストロン）1本で 2本の加速管を運転する。クライストロン後段にはRFパルスコンプレッサ（SLED）を設置し、クライストロン出力パルス幅 2.5μs、50MWのマイクロ波を、パルス幅 0.5μs、200MWに圧縮増倍する。図 8.９に C バンドユニット構成図を示す。理研 SCSS+加速器では同様の構成で、加速管のビーム加速勾配 45MV/m が得られている[8.6]。
keV
deg
N N
deg deg
deg
keV
ビーム進行方向 ビーム進行方向
バンチ圧縮前 バンチ圧縮後
63
SLiT-J 入射器ではビーム加速勾配を 40MV/m に設定し、本ユニット 19 ユニットで電子ビームを 3GeV まで加速する。ビーム加速勾配を最大加速勾配である 45MV/mまで上昇させれば、2ユニット/19ユニットが予備となる。線形加速器全長はビームダンプを含め、ビーム輸送部を除き、150mを想定している。パルス繰り返しはリング入射時で最大 5Hz、RFエージング用として定格 25Hzとする。
図 8.９ C バンドユニット構成図
表 8.７ C バンドユニット主要パラメータ
区分 項目 仕様
クライストロン 運転周波数 5712MHz
出力パワー 50MW
出力パルス幅 2.5μs
繰り返し 定格 25Hz
Q 180000 RF パルスコンプレッサ （SLED） 出力パルス幅 0.5μs
電圧増倍比 V/V0 2.07
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加速管 加速モード 2π/3 モード、進行波 ディスクロード型
セル数 112+2 カプラーセル
実効加速長 1.994m
減衰定数τ 0.604
フィリングタイム tF 299.8ns
シャントインピーダンス r 64MΩ/m
Q 8900
加速勾配 定格 45MV/m
運転モードはシングルバンチ運転ではあるが、電子バンチは 350ps 間隔の 3バンチであり、3バンチ毎にビームローディングによるエネルギー差がつくことが予想される。1バンチあたりの電荷量 20pCであるため、平均電流値 60mA、加速勾配 40MV/m としてビームローディングを求めると 0.02％にすぎず、ローディングによる影響は小さいことがわかる。 8.6 ローレベルRF系（LLRF） ローレベルRF系及びトリガーシステムは基本的に理研SACLAのシステムに準ずる[8.7]。しかしながら C バンドユニットはクレスト加速のみを行うため、SACLA 程の高安定度は不要であるため、C バンドユニットは 4 ユニットを 1つのブロック（最初の 3ユニットのみ 3ユニット/1ブロック）にまとめて 5ブロックとし、ブロック毎に制御する方式とした。 リングよりリング周波数 508MHz に同期した Cバンド 5712MHz 光信号とトリガー光信号を線形加速器最上流の S バンドラック部で受信し、電気信号に変換した後に Cバンド 5712MHz 信号よりディレイ生成用 238MHz 信号と Sバンド 2856MHz 信号にダウンコンバートする。C バンド 5712MHz 信号と238MHz 信号及びトリガー信号を再び光信号に変換し、5つのCバンドブロックへ分配する。この光信号伝送ラインには、環境変動による光路長変動を補償するために、理研SACLAと同じ光路長制御システムを導入する[8.8]。 C バンド 5712MHz 信号と 238MHz 信号及びトリガー光信号を Cバンドブ
65
ロック最上流で受信し、電気信号に変換した後にCバンド 5712MHz 信号に振幅、位相変調をかけ、トリガー信号と共に、4 つの C バンドユニットへ電気信号で分配する。メタルケーブルの伝送速度は光速よりも遅く、超高発泡ポリエチレン絶縁ケーブルを使用した場合、Cバンド 1ブロック長さ約 20mで電気信号はビームに対して 7ns のディレイを生じるが、値としては小さく、問題とはならない。 C バンドユニットでは上位より送信された 5712MHz 信号に、PLC 制御のIφAで振幅、位相変調をかけ、500Wアンプで増幅し、クライストロンをドライブする。
図 8.10 SLiT-J 入射器の LLRF トリガー系
66
参考文献 [8.1] SCSS X-FEL Conceptual Design Report, May 2005. [8.2] http://www-ssrl.slac.stanford.edu/lcls-resources/schedules [8.3] S. Werin et al., Proc. of EPAC04, Lucerne, p. 219 (2004). [8.4] T. Tanaka et al., Proc. of PAC05, Knoxville, p. 3499 (2005). [8.5] K. Togawa 他、第 3回加速器学会年会・第 31回リニアック技術研究会
プロシーディング、仙台市、p. 550 (2006)。 [8.6] T. Sakurai 他、Proc. 第１１回日本加速器学会年会プロシーディング、
青森市, p.1047 (2014)。 [8.7] T. Ohshima 他、第９回日本加速器学会年会プロシーディング, つくば市、
p. 189 (2011)。 [8.8] H. Maesaka 他、第１１回日本加速器学会年会プロシーディング、青森市,
p. 6 (2014)。
67
9. 挿入光源 本章では、蓄積リング直線部に設置される挿入光源の検討結果について報告する。設計に際して留意すべき物理的境界条件と、各種挿入光源が対象とすべき波長領域及び偏光特性について説明した後、これらの条件を満たす挿入光源の仕様案について述べる。さらに、それらの挿入光源を設置したビームラインにおいて期待される光源性能を定量的に評価するために行った計算結果について報告する。 9.1 挿入光源設計における境界条件 挿入光源を設計する際に考慮すべき物理的境界条件は、(1)設置可能な全長、(2)到達可能な最小ギャップ、の 2つである。前者は、直線部の全長と、設置すべき診断機器や真空機器、及びこれらを接続するためのベローズの長さやフランジの厚さによって決まる。後者は、蓄積ビームの寿命が有意に低下しないために必要な真空開口から決まる。これらはいずれも、SPring-8 蓄積リングの直線部における機器配置や、物理的開口を関数として実測した寿命劣化の実績から、精度良く決定することが可能である。 9.1.1 挿入光源長 SLiT-J の蓄積リングには、挿入光源の設置が可能な直線部が 2種類存在する。一つは全長 5.40mの長直線部、他方は全長 1.66mの短直線部である。 長直線部には、挿入光源の他に、アブゾーバ、BPM、及びゲートバルブなどの機器を設置する必要がある。さらに、真空封止アンジュレータを設置する場合には、真空開口を滑らかに接続するための形状変換部と呼ばれる機器が必要である。機器間の接続に必要なベローズやフランジの厚さを考慮すると、挿入光源本体の他に、約 1.2m 程度のスペースが必要と想定される。従って、長直線部に設置される挿入光源の全長を 4.2mとする。 短直線部では、後述するように真空封止アンジュレータは設置されない（＝長い形状変換部は必要ない）ため、挿入光源以外の機器設置に必要なスペースは若干短く約 1.0m 程度と想定される。即ち、全長 0.7m 程度の挿入光源が設置可能である。
68
9.1.2 最小ギャップ SPrinig-8 では、蓄積リングに設置されたスクレイパーを利用して、電子ビームの寿命と物理的開口の関係が調べられている。この結果を、SLiT-J 挿入光源端部におけるベータトロン関数の平方根でスケーリングすることにより、ビーム寿命に影響すると想定される真空開口を精度良く推定することができる。挿入光源の最小ギャップは、真空封止アンジュレータの場合は真空開口にほぼ等しく、それ以外の挿入光源ではこれに加えて、真空槽の壁厚や、磁石とのクリアランス、及びアラインメント誤差などの要因を考慮する必要がある。これらの検討結果とSPring-8 における実績から、長直線部に設置される挿入光源の最小ギャップを、真空封止アンジュレータの場合は 5mm、それ以外の挿入光源については 15mmと決定した。短直線部に設置される挿入光源についても同様の検討を行い、13mmの最小ギャップを選択したが、これに加えて、長直線部と同じ 15mmを選択することも想定し、挿入光源の設計を行った。 9.2 対象波長領域と偏光特性 SLiT-J では様々な利用方法が提案されているが、これらは必要とする波長領域と偏光特性によって分類することができる。それぞれの用途に従って挿入光源を設計する必要があるが、各波長領域で利用可能な光学系との兼ね合いから、その仕様を、(1)硬 X線領域（3keV~）、(2)軟 X線領域（200eV~）、(3)極端紫外光領域（50eV~）、のそれぞれの波長領域をカバーするものに分類する。また、SLiT-J では偏向磁石を光源として利用せず、その代替光源として短直線部にウィグラーを設置し、白色光源として利用すると共に、アンジュレータでは十分なフラックスが供給できない高エネルギー領域における光源として利用する。 上記で分類した波長領域は、挿入光源の周期長を決定するとともに、光源による偏光可変性の要否にも関連する。硬 X 線領域ではブラッグ反射を利用した結晶型位相子によって偏光状態を任意に変換することが可能であるため、一般に光源による偏光可変性は必要ではない。その他の波長領域では、変換効率が高い実用的な位相子が存在しないため、必要な偏光特性に応じて、特殊な磁気回路を有する挿入光源の検討が必要となる。 上記で述べた仕様を、SLiT-J におけるビームラインの分類として表 9.1 にまとめて示す。以下ではこれらの仕様を満たす挿入光源について議論を進める。
69
表 9.1 SLiT-J におけるビームラインの分類 名称 略称 直線部 偏光 光子エネルギー
硬 X線ビームライン HX 長直線 水平 3keV~
ウィグラービームライン W 短直線 水平 －
可変偏光軟X線ビームライン 長直線 可変 直線偏光軟X線ビームライン
SX 長直線 直線
200eV~
可変偏光 EUVビームライン 長直線 可変 直線偏光 EUVビームライン
EUV 長直線 直線
50eV~
9.3 挿入光源仕様案 挿入光源の磁場性能は、使用する永久磁石の残留磁束密度（Br）に強く依存する。本報告書作成時点（2016年３月）において、一般に利用可能な永久磁石材料における Br は最大で 1.4T 程度であるが、そのような Br が高いグレードの磁石は保磁力（Hcj）が低く、放射線量の高い蓄積リング内で使用した場合に短期間で減磁する可能性がある。この問題は、磁石と電子ビームとの距離が近い真空封止アンジュレータで特に顕著となる。SPring-8 では、放射線による減磁を可能な限り抑制するために、真空封止アンジュレータに採用可能な永久磁石の選定基準として「Hcjが 2000kA/m 以上であること」という条件を設けている。SLiT-J においても、これと同じ条件を満たす永久磁石を選定することを想定し、妥当なBrの値として 1.25T を仮定した。さらに真空封止アンジュレータ以外の挿入光源についても減磁の問題を回避するため、同じ仕様の永久磁石を選定すると仮定した。 上記条件の下で、表 9.1 に示した各ビームラインの仕様を満たす挿入光源の種類と周期長について検討を行った。候補となる各種挿入光源について、使用する磁石ブロックの寸法などの物理的条件について現実的な値を仮定し、磁場計算コード RADIA [9.1]を用いて、ピーク磁場や偏向定数（K 値）などの磁場性能を定量的に評価した。これらの結果から、各ビームラインで要求される偏光特性や波長可変域に適合する最適な挿入光源を選定した。これらの仕様案をまとめて表 9.2 に示す。 次節以降で、これらの挿入光源の詳細、光源性能や留意点について述べる。尚、光源性能の計算は、SPring-8 で開発された放射光計算コード SPECTRA
70
[9.2]を用いて行った。また、フラックスを計算する際に必要となる、フロントエンドスリットなどで規定される有効開口として、水平方向、垂直方向ともRMSビームサイズの 6倍（6σ）を仮定した。ただし、ウィグラービームラインでは分光器の耐熱負荷特性を考慮し、500W のパワーが通過する開口（後述する MPW-A をギャップ 13mm で使用した場合、水平 0.16mrad、垂直0.008mrad）を仮定した。また、9.8 節を除き、蓄積リングのエミッタンスカップリングとして 0.2%を仮定した。 表 9.2 SLiT-J における挿入光源仕様案。CPR、HPR、VPRはそれぞれ円偏光、水平
偏光、垂直偏光モード。Kx、Kyは水平並びに垂直磁場の偏向定数。
名称 種別・構造 周期長 (mm)
周期数 最大 K 値
最大磁場 (T)
ビーム ライン
IVU-A 22 190 2.36 1.15
IVU-B 真空封止アンジュレータ 20 210 1.97 1.05
HX
MPW-A 120 5 18.4 2.14
MPW-B 多極ウィグラー
60 10 6.39 1.30 W
APPLE-SX
APPLE 型アンジュレータ
56 75 CPR: 2.75 HPR: 4.67 VPR: 3.39
0.526 0.893 0.648
F8-SX ８の字アンジュレータ
46 90 Kx: 2.81 Ky: 3.23
0.327 0.752
SX
APPLE-EUV
APPLE 型アンジュレータ
75 56 CPR: 4.84 HPR: 7.73 VPR: 6.21
0.691 1.10 0.887
F8-EUV ８の字アンジュレータ
64 64 Kx: 4.55 Ky: 5.99
0.381 1.00
EUV
9.4 硬 X線ビームライン 硬 X 線ビームラインでは周期長 22mm の真空封止アンジュレータ（IVU-A）を採用する。磁気回路としてハイブリッド型を採用し、最小ギャップにおけるK値は 2.36 に達する。基本波を含む各高調波はエネルギーギャップ無く継続的に
71
接続するため、磁石ギャップを調整することによって、1keV以上の波長領域をカバーすることが可能である。一方、基本波と 3 次光のエネルギーギャップを許容する場合、周期長 20mmの真空封止アンジュレータ（IVU-B）も選択可能である。この場合の最大K値は 1.97 であり、4.0~4.4keV のエネルギー範囲における波長可変性が失われる一方、他の波長領域における輝度及びフラックスは向上する。これらの光源で利用可能な輝度及びフラックスを図 9.1 に示す。ちなみにこの図は、あるギャップに固定した際のスペクトルではないことに注意されたい。即ち、与えられた光子エネルギーにおいて、K 値（ギャップ）及び高調次数を最適化した際に得られる最大の輝度とフラックスを示している。言い換えると、ギャップを掃引した際の最大輝度・フラックスの包絡線を示す。
図 9.1 HX ビームライン用挿入光源の輝度とフラックス
いずれの光源を選択する場合でも、大多数の用途において高調波の利用は必須となる。例えば 10keVの X線を利用する場合は、5あるいは 7次光、20keVの X 線を利用する場合は 11 次よりも高い次数の高次光が必要である。このため、挿入光源磁場の位相誤差に関する仕様の策定には注意が必要である。位相誤差とは、永久磁石が本質的に有する各種の誤差（磁化ベクトルのばらつき）や、多数の永久磁石が設置される基板の加工誤差などに起因する、フラックス
72
の劣化度を示す性能指標であり、挿入光源の製造過程においては、磁場調整あるいは磁場補正と呼ばれる作業によって除去される。位相誤差は高次光の次数に比例して悪化するため、誤差磁場によるフラックスの劣化は高次光ほど激しい。従って、ターゲットとなる高次光において十分なフラックスを確保できるよう、位相誤差を精度良く除去する必要がある。 図9.2に、IVU-Aの基本エネルギーを2keVに設定したときの5次光（10keV）及び 11次光（22keV）におけるフラックス（単位は photons/sec/mrad2/0.1% b.w.）の角度分布を示す。いずれも、電子ビームの角度分布を反映し、若干扁平な形状をしている。
図 9.2 HX ビームライン用挿入光源（IVU-A）におけるフラックスの空間分布。(a)
10keV（5次光）、(b) 22keV（11 次光）。
SLiT-JのHXビームラインのようにアンジュレータの高次光を利用する場合、軸上に現れる n 次（ターゲットとする次数）の高次光に加えて、n+1 次に由来する高次光が軸近傍で観測されることに注意されたい。例として、図 9.2 を計算した条件において、11次光（22keV）及び 21次光（42keV）を利用する場合の角度分布を図 9.3 に示す（計算範囲が図 9.2 よりも広いことに注意）。
73
図 9.3 HX ビームライン用挿入光源（IVU-A）におけるフラックスの空間分布。(a)
22keV（11 次光）、(b) 42keV（21 次光）。
図 9.3(a)／(b)において、軸上に見られる 11 次光／21 次光に加えて、q = 0.07mrad／0.05mrad において、12 次光／22 次光に由来するフラックスがドーナツ状に分布していることがわかる。従って、これらを取り込むようにフロントエンドスリットの開口を広げることによって、フラックスの増強が期待できる。ただし、大きな開口サイズは 9.7 節で議論する光学系熱負荷の増大をもたらすので注意が必要である。 9.5 ウィグラービームライン ウィグラービームライン用光源として、ハイブリッド型磁気回路で構成される磁石列を真空槽外に設置する一般的なマルチポールウィグラー（MPW）を採用する。ウィグラーでは、後に指摘する点を除いて白色スペクトルが得られるため、アンジュレータに比べて周期長の選択には任意性があり、到達可能な最大ピーク磁場と併せて決定する必要がある。例として、最小ギャップ 13mm及び 15mmという条件の下で、磁場周期長の関数として計算した最大ピーク磁場を図 9.4 に示す。容易に理解されるように、長い周期（従って少ない周期数）ほど高いピーク磁場が得られる。対象波長領域の（短波長側への）拡張という
74
観点からは磁場強度が、一方、フラックスという観点からは周期数が優先されるため、主として利用する波長領域を考慮して磁場周期を選択する必要がある。
図 9.4 ウィグラーの周期とピーク磁場との関係。最小ギャップ13mmと 15mmの 2種類について計算。
周期数の観点から周期長 60mm（MPW-A）を、また磁場強度の観点から周期長 120mm（MPW-B）を選択した場合に利用可能な輝度とフラックスのスペクトルを図 9.5 に示す。予測されるとおり、MPW-A では低エネルギー側で、また MPW-B では高エネルギー側において、より高い輝度とフラックスが利用可能である。また、その判断基準となる境界エネルギーは 20keV~30keV であることがわかる。図 9.6 に、MPW-B をギャップ 13mm で利用する場合の、10keV 及び 50keV におけるフラックスの角度分布を示す。図 9.2 と比較すれば、HX ビームラインに比べてフラックスが大きく発散していることがわかる。これらのフラックスを取り込むためにはフロントエンドスリットの開口を広く設定する必要があるが、これは光学系熱負荷の増加につながるため、注意が必要である。
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図 9.5 W ビームライン用挿入光源の輝度とフラックス
図 9.6 Wビームライン用挿入光源（MPW-B）におけるフラックスの空間分布。(a)
10keV、(b) 50keV。
76
ここで、ウィグラーを白色光源として利用する場合に留意すべき点を挙げる。例として、MPW-Aをギャップ 15mmで使用したときについて議論する。この場合の K 値は 5.72、ピーク磁場は 1.14T である。ちなみに、これらの関係は一般的に知られている K値 ＝ 93.37×ピーク磁場 (T)×周期長 (m)とは若干異なることに注意されたい。これは、想定している挿入光源の磁場分布が一般的な正弦波ではなく、三角波に近いことに起因している。仮にこの挿入光源をアンジュレータとして利用する場合の基本エネルギーは 82eV程度となる。
図 9.7 MPW-A による放射光フラックスのスペクトル。赤線は波動光学的計算、青線
は幾何光学的計算。ギャップは 15mmに設定。
図 9.7 に、MPW-Aをギャップ 15mmで運用したときに得られるフラックスのスペクトルを示す。挿入光源のフラックスは、波動光学的手法（厳密計算、赤線）と幾何光学的手法（近似計算、青線）という 2 つの異なる手法で計算が可能であり、ウィグラーとして利用する場合は、後者の手法で計算することが多い。図 9.5 に示したスペクトルも幾何光学的手法での近似計算である。 図 9.7 から明らかな通り、幾何光学的手法は高エネルギー領域では比較的良い近似を与えるが、低エネルギー領域（アンジュレータ領域）では周期的磁場
77
構造に由来する、アンジュレータ放射に特徴的な微細構造が再現されない。一方、例えば 10keV以上の高エネルギー領域（ウィグラー領域）では、微細構造はほぼ消失し、白色スペクトルへと変化していることがわかる。 アンジュレータ領域の光を利用する場合、目標の波長にスペクトルピークが一致するようにK値を調整することで、より高いフラックスが利用可能である。一方でそのような利用方法を可能とするためには、挿入光源架台が磁石列ギャップの開閉を可能とする機構を備える必要があり、これは高コスト化につながる。この問題を避けるため、スペクトルの微細構造が消失するように、長手方向に沿ってギャップ（即ち K 値）を変化させるテーパ構造とするか、あるいはそれに類する誤差磁場を意図的に与えることも可能であり、光源設計の選択肢の一つとして挙げておく。 9.6 軟 X線／EUVビームライン 軟 X 線及び EUV ビームラインでは、要求される偏光特性に応じて 2 種類のアンジュレータから選定する。ひとつは、APPLE 型磁気回路を有し、任意の偏光状態を供給する可変偏光アンジュレータであり、他方は直線偏光を供給する 8の字アンジュレータである。 APPLE 型アンジュレータは世界各国の放射光施設で利用されており、楕円偏光（左・右）及び直線偏光（水平・垂直・任意傾斜角）を供給できることが知られている。SLiT-J における SX及び EUVビームラインに適合するAPPLE 型アンジュレータの周期長として、56mm（APPLE-SX）及び75mm（APPLE-EUV）をそれぞれ選定する。APPLE 型アンジュレータの問題点として、K値が高い条件下において直線偏光モードで運転すると、大強度の高調波が軸上に混入し、これがもたらす熱負荷が甚大となることが知られている。従ってこのような条件で運転する際には、分光器や集光ミラーなどの光学機器の性能が劣化しないように、冷却系に十分留意する必要がある。 8の字アンジュレータはAPPLE型アンジュレータの熱負荷の問題を解決するために、SPring-8 で考案された直線偏光アンジュレータであり、K値が高い条件でも軸上熱負荷を抑制できることが知られている。8の字アンジュレータでは、水平磁場と垂直磁場の周期長が 1：2（あるいは 2：1）に設定されているため、基本波に加えて0.5次光及び1.5次光が利用可能である。周期比の選択により、基本波を水平偏光、0.5/1.5 次光を垂直偏光（あるいはその逆）に設定すること
78
が可能である。SLiT-J における SX及び EUVビームラインに適合する 8の字アンジュレータの周期長として、46mm（F8-SX）及び 64mm（F8-EUV）をそれぞれ選定する。 以上で選定したSX及びEUVビームライン用挿入光源で利用可能な輝度及びフラックスを図 9.8 に示す。図 9.1 と同様に、ギャップを掃引した際の最大輝度・フラックスの包絡線を示すことに注意されたい。ちなみに、いずれの挿入光源も、必要な偏光特性によって波長可変域が異なることに注意されたい。この図では、円偏光（CPR）及び水平偏光（HPR）を供給する場合を示している。
図 9.8 SX/EUV ビームライン用挿入光源の輝度とフラックス
ほぼ全てのエネルギー領域において、円偏光のフラックスが最大であることがわかる。次節で述べる熱負荷の問題も考慮すると、偏光特性を必要としない場合でも円偏光モードでの運用が推奨される。一方、水平偏光を利用する場合には、2 つの挿入光源（APPLE 及び F8）には大きな差は無い。ただし、次節で
79
詳細に述べるとおり、これらの挿入光源には、光学系に与える熱負荷という観点で大きな相違がある。 図 9.9 に、APPLE-SX 及び APPLE-EUV を円偏光モードで運用するときの500eV及び 100eVにおけるフラックスの角度分布を示す。500eVでは電子ビームの分布を反映して、扁平な形状となっている。一方、100eVでは光の回折限界エミッタンスの方が電子ビームエミッタンスよりも大きく、ほぼ円形の光ビームが得られることが分かる。
図 9.9 SX/EUV ビームライン用挿入光源におけるフラックスの空間分布
（APPLE-SX/EUV、円偏光モード）。(a)500eV、(b)100eV。
9.7 熱負荷 ここまで、SLiT-J に設置される各種の挿入光源で利用可能な輝度やフラックスについて議論してきた。これらは試料に照射される光子数に直結するため、挿入光源の性能を規定する物理量として極めて重要である。一方、放射光ビームラインとしての性能を包括的に議論するためには、挿入光源から放出された放射光を試料に到達する前に整形及び加工するための、フロントエンド機器や光学系機器に与える熱負荷に関する議論が不可欠である。 まず、分光器や集光ミラーなどの光学機器に加わる熱負荷、即ち、フロントエンドスリットを通過する放射光のパワー（以後、光学系熱負荷）について議論する。これは、放射光を利用して安定的な計測を行うという意味で重要であ
80
る。 HXビームライン用挿入光源について、フラックスを計算したときと同様の開口（6σ）を仮定して計算した光学系熱負荷、及び全立体角に放出される全放射パワーを、基本エネルギーの関数として計算した結果を図 9.10 に示す。
図 9.10 HX ビームライン用挿入光源の全パワー（上）と光学系熱負荷（下）
いずれの挿入光源においても、基本エネルギーの低下（即ち K 値の増大）とともに、全放射パワー及び光学系熱負荷が増加すること、また、全放射パワーは最大で 10kWに達するものの、光学系熱負荷は最大でも 500W程度に留まることが分かる。即ち、フロントエンドスリットの開口を適切な値に設定することによって、フラックスをほとんど失うことなく、熱負荷を効果的に抑制できる。 次に、軟X線・EUVビームライン用挿入光源に関して同様に行った計算の結果を図 9.11 に示す。いずれの場合でも、全放射パワーは先ほどと同様に K 値の増加と共に上昇し、最大で 10kW程度に達する。一方、光学系熱負荷の挙動は挿入光源とその偏光モードに依存する。即ち、APPLE-SX/EUV の水平（及び垂直）偏光モードでは、K 値の増加に従って、最大で 500W から 1kW の熱負荷が光学系に加わる。一方、APPLE-SX/EUV の円偏光モード、及び
81
F8-SX/EUVでは、あるK値において最大値 30Wから 40Wに達した後で下降に転じる。
図 9.11 SX/EUV ビームライン用挿入光源の全パワー（上）と光学系熱負荷（下）
光学系熱負荷を可能な限り軽減することは、その性能が表面形状の変形や歪みに敏感な、SX/EUV 領域の光学機器を安定に利用する上で重要であるため、光源の選択に際してはこれらの要因も併せて検討する必要がある。 挿入光源の熱負荷を検討する際には、上記で述べた光学系熱負荷に加えて、放射パワーの空間分布についても留意する必要がある。これは、挿入光源下流側の真空槽の形状設計や、フロントエンドスリットで除去すべき熱負荷に関連する。挿入光源の放射パワーの空間分布の拡がり角は、
€
Kx及び
€
Kyを水平及び垂直磁場の K 値として、おおよそ
€
σ px,py = γ −1 1+Ky,x2 /2で与えられることが知られ
ている。ここで、
€
γは電子のローレンツ因子、
€
σ px及び
€
σ pyはそれぞれ水平及び垂直方向における放射パワーの拡がり角であって、ある特定のエネルギーで切り出したフラックスの拡がり角ではないことに注意されたい。この式で表される
82
とおり、K値の増大に伴って放射パワーはより大きく発散する。 図 9.12 に、HXビームライン用挿入光源を最小ギャップに設定したときの最大放射パワーの空間分布（kW/mrad2）を示す。IVU-A の方が垂直磁場の K 値（=
€
Ky）が大きいため水平方向への拡がりが大きい。ただし、いずれの挿入光源も水平磁場を持たな（
€
Kx=0）ため垂直方向には同様の拡がり角を持つ。
図 9.12 HX ビームライン用挿入光源における最大放射パワーの角度分布
（kW/mrad2）。(a) IVU-A、(b) IVU-B。
図 9.13 に W ビームライン用挿入光源の最大放射パワーの空間分布を示す。MPW-Aでは K値（=
€
Ky）が 18.4 と極めて大きいため、放射パワーは水平方向に大きく広がっているが、垂直方向の拡がりはHXビームラインと同等である。
図 9.13 Wビームライン用挿入光源における最大放射パワーの角度分布(kW/mrad2)。(a) MPW-A、(b) MPW-B。
83
図 9.14 に SX/EUV ビームライン用挿入光源の最大放射パワーの空間分布を示す。(b)及び(e)が APPLE アンジュレータを水平偏光で利用する場合の放射パワー分布であり、軸上で最大値をとることがわかる。言うまでも無く、これが光学系熱負荷の増加をもたらす。一方、APPLE アンジュレータの円偏光利用時、及び 8 の字アンジュレータでは、放射パワーの殆どが軸外に発散し、光学系熱負荷を効果的に抑制できることが分かる。ただし、これらの軸外放射パワーが、下流側真空槽の内壁に干渉することなくフロントエンドスリットで除去されるように、設計には十分な注意が必要である。必要に応じてアブゾーバを設置することも検討する。
図 9.14 SX/EUV ビームライン用挿入光源における最大放射パワー空間分布 (kW /mrad2)。(a) APPLE-SX (CPR)、(b) APPLE-SX (HPR)、(c) F8-SX (HPR)、(d)
APPLE-EUV (CPR)、(e) APPLE-EUV (HPR)、(f) F8-EUV (HPR)。
9.8 カップリングの影響 本章の最後に、電子ビームのエミッタンスカップリングの影響について述べる。図 9.15 に、各ビームラインにおける代表的な光源の輝度を、カップリング1%と 0.2%を仮定して計算した結果を示す。HXやWビームラインでは、カップリングを 1%に緩和することによって 2 割から 3 割程度輝度が低下する。一
84
方、SX や EUV ビームラインでは殆ど影響は見られない。これは、回折限界光のエミッタンスが波長に比例して増大するため、波長が長いほど電子ビームエミッタンスの影響が相対的に小さくなるためである。
図 9.15 エミッタンスカップリングが輝度に及ぼす影響。実線が 0.2%、破線が 1%
のカップリングを仮定。
参考文献 [9.1] O. Chubar, P. Elleaume, and J. Chavanne, J. Synchrotron Rad. 5,
481 (1998). [9.2] T. Tanaka and H. Kitamura, J. Synchrotron Rad. 8, 1221 (2001).
85
10. ビームライン 本章においては、実験ステーションを除くフロントエンド、光学系・輸送系の概要について記述する。 10.1 ビームラインの全体構成 図 10.1 にビームラインの全体構成の概要を示す。加速器光源から取り出された放射光はコンクリート遮蔽トンネル (収納部) にあるフロントエンドを通り、実験ホールへ取り出される。まずはそのまま放射線遮蔽機能を有する光学ハッチに導かれ、分光器やミラーなどの光学機器、その他輸送系機器を通り、適宜ビームが加工されたのち、実験ステーションに導かれる構成となっている。 X線領域では、同じく遮蔽機能を有する実験ハッチ内に実験ステーション機器が設置され、各種放射光実験に利用される。 実験ハッチまでの距離が長い場合には、光学ハッチと実験ハッチの間を(遮蔽) 真空ダクトによって連結する。一方、 VUV～軟 X線ビームラインは、一般に光学ハッチ内で高エネルギー放射線が除かれたのちは、実験ホール内に設置されたステーション機器に直接導かれ、実験ハッチは必要としない。
図 10.1 ビームラインの全体構成
10.2 ビームラインの種類 光源との対応により主として以下の 3種類から適宜選択する。 (1) 標準 X線アンジュレータビームライン 10keV 程度の X線利用のためのビームラインである。 全長 60m (最長) とし、実験ステーションまでに二結晶分光器、集光ミラーなどの主要光学系、輸送系機器を設置し、必要なビームを加工して供給する。ナノビームやマイクロビーム利用のビームラインでは、実験ステーションに 100nm ~ 1μm程度のビーム集光を可能な光学系を配置する。
86
(2) X 線短尺挿入光源ビームライン 本計画の蓄積リングでは、短尺挿入光源を短直線部に設置し利用することが可能である。偏向電磁石ビームラインにおいておこなわれている多くのアプリケーションは、このビームラインにおいて代替実施することになる。挿入光源の項で示された通り、白色利用, 高エネルギー利用においてはマルチポールウィグラ (MPW) を利用することになる。ビームラインの要素技術は基本的に標準X線アンジュレータビームラインと同等である。 (3) 軟 X線アンジュレータビームライン 概ね 50eV ~ 2keV の範囲の軟X線利用を目的とし、回折格子分光器を用いたビームラインを設置する。第一光学素子上の熱負荷の観点などから、挿入光源の項で示された通り光源としてはヘリカルアンジュレータを使用する。 10.3 フロントエンド 光源点 (挿入光源の中心点) から約17mが収納部内の放射光取り出し位置となる。加速器との取り合い点を中間の 8.5m程度に設定し, 残りの 8.5mをフロントエンドの収納部内のスペースとして、機器の配置を考えフロントエンドを設計する。図 10.2 に収納部内の長さを 8.5m とした場合の X 線アンジュレータビームライン用のフロントエンドの全体構成示す。光源に依存して放射光受光部のデザインは若干異なるが、基本構成は同等である。軟 X 線用フロントエンドにおいては輸送系との取り合い部にベリリウム窓は設置しない。 主なフロントエンドの機能は、以下の通りである。 1) 放射光の遮断/下流への導入 2) 加速器~ビームラインの超高真空の維持 3) 高パワー/パワー密度の放射光のうち、利用に使われない熱負荷成分をフロントエンド部において受光し、取り除くこと
4) ガンマ線の (部分的な) 除去 5) ビームモニタ 10.3.1 アブソーバ/ビームシャッタ 1) アブソーバ 水冷されたアルミナ分散強化銅に放射光を斜入射させることにより数十 kWの放射光成分を取り除く。アブソーバはビームシャッタより上流に配置され、
87
ビームシャッタと連動して動作することによりビームシャッタを熱負荷から保護する。 2) ビームシャッタ 高エネルギーの放射光成分とガンマ線を遮断する。これにより、実験ホール側での放射線安全を担保する。材料は 95％タングステンとし、長さ 300mmとする1。図 10.3 に SPring-8 で使用されているビームシャッタの構造を示す。本フロントエンドにおいてもビームシャッタは基本的に同等の構造とする。 アブソーバ、ビームシャッタとともにエアシリンダによる圧空駆動とし、閉状態/開状態はリミットスイッチにより監視する。異常動作時には人的安全保護と機器保護の両方の観点から蓄積リングに蓄積された電子ビームをアボートさせ加速器運転を停止させる。 10.3.2 排気真空槽 フロントエンドの数か所にイオンポンプによる超高真空排気のための排気真空槽を挿入・設置する。圧力はイオンゲージにより常時モニタし、真空異常時には、蓄積リングに蓄積された電子ビームをアボートさせ加速器運転を停止させたのち当該区間前後のゲート弁を閉じるものとする。 10.3.3 高負荷機器 [10.1-10.4] 挿入光源の仕様に依存するが、熱負荷の観点では、光源から近い分、SPring-8の標準的なフロントエンドより厳しくなる反面、放射光の自然発散 1/γがSPring-8 の 8/3 と大きくなるため、パワー密度の観点でほぼ相殺される。 アブソーバにおいては、ワイヤコイル型の水冷チャンネル (hfc= 20000W/m2/K) で水冷されたアルミナ分散強化銅 (GLIDCOP) を用いテーパ角 1/65 の斜入射条件で受光することにより、26kW の受光が可能となる [10.5]。図 10.4 に斜入射を用いた高熱負荷対応機器の模式図を示す。 XYスリットについても同様な受光部を用い、アンジュレータのセントラルコーンのみを下流側に取り出す。
1 今後、遮蔽計算により確定させる。
88
図 10.2 フロントエンドの機器レイアウト (X 線アンジュレータビームライン用)
図 10.3 ビームシャッタ 図 10.4 斜入射を用いた高熱負荷対応機器の 模式図
10.3.4 X 線取り出し窓 X 線アンジュレータビームラインのフロントエンド終端部には 2 連の水冷ベリリウム窓を用い、下流の輸送系と真空を仕切る。ただし、低エネルギーX 線の利用が中心となる場合には、窓なしとする。窓の有無によらず、フロントエンド終端部に真空センサー、加速器との取り合い部に高速遮断シャッタ (FCS) を取り付ける。真空異常時 (圧力上昇時) には蓄積リングに蓄積された電子ビームをアボートさせ加速器運転を停止させたのち、FCS を閉じ、さらにゲート弁を閉じるものとする。 10.4 遮蔽ハッチ 遮蔽ハッチの基本構造を図 10.5 に示す。遮蔽パネルは、鋼板/鉛板/鋼板の 3層パネルか鋼板のみの単層パネルとする。必要な遮蔽材料と厚さは、光源の種類にも依存するため遮蔽計算の結果適宜選択するものとする [10.6]。
89
基本の遮蔽パネルに加えて ・入退室用扉 (電動および手動) ・ケーブルダクト (電力、信号、冷却水、ガスなどのハッチ内外の接続に使用) ・空調ダクト ・電力用分電盤 ・インターロック用制御盤 などが取り付けられる。
図 10.5 遮蔽ハッチの模式図
10.5 主要光学系 10.5.1 結晶分光器 分光結晶としては入手性、加工性、結晶性、結晶サイズ等を勘案してシリコンを選択し、Si 111 反射を基本として結晶分光器を構成する。図 10.6 に示す通り Bragg角3.7~ 42°において3 ~ 30keVをカバーする。また、同一のBragg角度範囲においてSi 220反射もしくは311反射を用いることにより上限を50 ~ 60keV まで拡張することができる。なお、より高次の反射により高エネルギーへの拡張は可能であるが、バンド幅が狭くなりフォトンフラックスが減少する。
90
図 10.6 Si 結晶分光器 (Bragg 角 3.7~42°) による分光可能なエネルギー範囲
(1) ステージ 100mm 以上の長い結晶で光軸方向に沿った併進ステージを省略する方法 [10.7] を採用する。入射~出射のオフセット高hは25mm (SPring-8は30mm) で設計する。これにより必要な結晶の長さは約 120mm となる。なお、分光器下流のガンマストッパでγ線を遮断する必要があり、詳細は遮蔽計算により決定する必要がある。 機械的な安定化のため必要な可動ステージを極力減らした設計とする。こうして、主要ステージは、Bragg 角主軸θ、Bragg 角微調整 (第一結晶) Δθ1、結晶間隔 (第一結晶) Z1、あおり (第二結晶) T2の 4軸を基本とし (表 10.1)、各々ステッピングモータにより駆動させる。Z1については
€
Z1 = h / 2cosθB( ) の関係式でBragg 角と計算機結合させ制御する。
表 10.1 二結晶分光器の主要駆動軸の可動範囲、分解能
軸 可動範囲 分解能
θ -5 ~ 45° 0.1" Δθ1 -3 ~ 3° 0.01" Z1 -5 ~ 10mm 0.1μm T2 -2 ~ 2° 0.2"
91
(2) 結晶冷却 フロントエンドの XY スリット (図 10.2 において光源から 14m の位置に設置) を通過してくるアンジュレータのセントラルコーンのパワーが第一結晶にかかる熱負荷となる。SPECTRA [10.8] によりパワーを求める。真空封止アンジュレータ (λu= 22mm、N= 190) で最大 K= 2.3 の場合について、間接液体窒素冷却で実績のある値である 300W [10.9、10.10] のパワーを通すXYスリットサイズは 1.07mm (H)×0.77mm (V)と見積もられる。これは縦横共に基本波のセントラルコーンの標準偏差の 4.6 倍に相当している。 なお、施設として液体窒素冷却循環システムを整備し、各ビームラインに分配することが複数ビームラインの早期安定な立ち上げにとって重要となる。 (3) フォトンフラックス 前項の条件で、Si 111 反射の二結晶分光器 (バンド幅 10-4) で分光した場合のフォトンフラックスについて図 10.7 示す。K= 2.3 における 3次以上の奇数次のピークをプロットしたものである。30keV以下では 1012~1014 ph/s のフォトン数が得られる。当然、アクセプタンスを制限する光学系により上記より開口を絞ること、また、高分解能の光学系を追加することなどによりフォトン数は低減するため、個別に見積もる必要がある。
図 10.7 Si 111 反射の二結晶分光器において分光されたのちのフォトン数。真空封止アンジュレータ (λu= 22mm、N= 190)、K= 2.3 において、分光器の第一結晶上に
300Wのパワーが照射される場合。
92
10.5.2 X 線全反射ミラー [10.11、10.12] 高次光の除去と集光などの目的に X 線の全反射ミラーを用いる。ミラー基板材質はシリコンや石英とし、研磨でのスロープエラーは 1 μrad のオーダーとする。 コーティングとしては、Cr のバインドの上に Pt や Rh をコーティングする。視射角はフォトンエネルギーにもよるが 2 ~ 10mrad 程度であり、アンジュレータからの放射光を取りこぼしなく受光するためミラー長は 500mm ~ 1m程度のものを用いる。 長手方向 (Tangential) の集光は機械的にミラーをベントすることにより実現させるため、集光ビームは数十ミクロンにとどまる [10.11、10.12]。このため、マイクロ~ナノビーム形成には次節で述べる楕円ミラーを用いる。 10.5.3 X 線ナノビーム形成 [10.13、10.14] 高精度楕円ミラーを用いて 100nm オーダーのナノビームを形成する (図10.8)。以下現実的な条件を設定し, 集光ビームサイズとフォトン数を見積もる。 なお、15keV以下のX線利用を中心に考え、ミラー視射角: θ= 4mrad とし、また、 ミラー下流端から試料までの作動距離: 100mmとする。 ミラーによるビーム受光幅はミラー長を Lとして、
€
w = Lsinθ 波長λ、ミラー~焦点距離 qとして、Fraunhofer 回折による空間広がりは、
€
Fdiff = 0.8858λq /w
光源サイズ S、光源~ミラー距離 pとして、幾何学的に光源を縮小したビームサイズは、
€
Fgeom = Sq / p
これらのコンボリューションから、トータルの集光ビームサイズは、
€
Ftot = Fgeom2 + Fdiff
2( )12
で近似的に与えられる。 1) ダイレクトモード 以下の条件において、波長 0.1nm、0.2nmの二波長に関して、集光ビームサイズを見積もる。 ・ミラー長: 200mm (V) × 150mm (H)
93
・光源~焦点距離: 60m ・ミラー~焦点距離: 300mm (V)、175mm (H) ・光源ビームサイズ (0.1nm): Sx×Sy = 257μm × 7.75μm (FWHM) ・光源ビームサイズ (0.2nm): Sx×Sy = 258μm × 9.46μm (FWHM) 表 10.2、表 10.３に示すようにビームサイズは、縦 100nm以下、横 1μm以下と見積もられる。フォトン数は 6×1012 ~ 2×1013ph/s が得られると見積もられる。 2) 水平二次光源モード 上記の例では横方向が 1μm 程度にとどまるため、スリットにより二次的な光源サイズを小さくして 100nmのビームを形成する。 ・二次光源の位置: 25m ・二次光源 (スリット)~焦点距離: 35m ・二次光源サイズ: SH = 10μm 表 10.2、表 10.３に示すように、横方向も 100nm 以下の集光が可能となる。フォトン数は、スリットを通過し、さらに横集光ミラーにて受けられる部分に制限されるが、2×1011 ~ 5×1011ph/s のフォトン数が得られると見積もられる。
図 10.8 K-B ミラー集光光学系
94
表 10.２ 集光ビームサイズの計算結果 (波長 0.1nm)
ダイレクトモード (縦集光)
ダイレクトモード (横集光)
水平二次光源モード (横集光)
Fgeom (nm) 39 753 50 Fdiff (nm) 33 26 26 Ftot (nm) 51 754 57
表 10.３ 集光ビームサイズの計算結果 (波長 0.2nm)
ダイレクトモード (縦集光)
ダイレクトモード (横集光)
水平二次光源モード (横集光)
Fgeom (nm) 48 753 50 Fdiff (nm) 66 52 52 Ftot (nm) 82 755 72
10.5.4 ダイヤモンド移相子 [10.5] X 線磁気円二色性実験 (XMCD) などのステーションで円偏光の X 線が必要となるが、ダイヤモンド移相子を用いることにより、直線偏光 X 線から円偏光X線を生成できる。ビームライン途中に挿入可能なユニットが、すでにSPring-8において導入されており、それをベースに対応可能である。二結晶分光器と実験ステーションの間にスペースを確保して設置する。図 10.9 に概観図を、また、図 10.10 にダイヤモンド結晶の面方位、反射指数、厚さと適用エネルギー範囲を示す。4~15 keV 程度の範囲でX線の円偏光の利用が可能である。
図 10.9 ダイヤモンド移相子の概観 図 10.10 実用可能なダイヤモンド移相の種類
95
10.5.5 後置分光器 高エネルギー光電子分光 (HAXPES) などでは、数 keVの X線において数十meV のエネルギー分解能が要求され Si 111 反射のエネルギー分解能では大きすぎる。このためチャンネルカット結晶による後置分光器を二結晶分光器の下流に挿入する (図 10.11、図 10.12)。直入射に近い条件 (Bragg 角= 81.3°) において、6keV ~ 10keV において数十meVの分解能となる (表 10.４)。
図 10.11 チャンネルカット後置分光器 図 10.12 概観 (SPring-8 BL46XUの例)
表 10.４ チャンネルカット後置分光器を付加したときのエネルギー分解能。 Bragg 角= 81.3°、入射ビームの発散角 20μrad、前置分光器: Si 111 反射の二結晶分光器の場
合。
hν 反射指数 エネルギー幅 (FWHM)
6keV Si 333 45meV 8keV Si 444 36meV 10keV Si 555 18meV
10.5.6 軟 X線分光器 回折格子を用いた軟 X 線分光器は、エネルギー領域によりいくつかのタイプが実現されている。ここでは、その一例を示すにとどめる。詳細設計は実験ステーションとの対応により別途おこなう。図 10.13 は出射スリットまでの光源~光学系の概略図である [10.17、10.18]。 刻線密度 600/mm、1200/mmの不等刻線平面回折格子 (VLSPG)、入射スリットレス、偏角可変光学系により、光源~初段集光ミラー距離 20m、回折格
96
子~出射スリット 15m程度の配置により 50eV ~ 2keV 程度の範囲において、エネルギー分解能>104が可能であると見積もられる [10.17]。
図 10.13 軟 X線ビームライン光学系の一例。
10.6 輸送系 SPring-8 の標準的なもの [10.19] をそのまま、または、適宜再設計して利用する。 ガンマストッパ、エンドストッパ、下流シャッタ、ビームモニタ、スリット [10.20]、ベリリウム窓 [10.21]、真空排気ユニット [10.22]、真空パイプ、べローズなどを標準化して適宜配置する。 参考文献 [10.1] S. Takahashi, Y. Sakurai, and H. Kitamura, J. Synchrotron Rad. 5,
581 (1998). [10.2] M. Oura, Y. Sakurai, and H. Kitamura, J. Synchrotron Rad. 5, 606
(1998). [10.3] M. Sano et al., J. Synchrotron Rad. 15, 1 (2008). [10.4] S. Takahashi et al., J. Synchrotron Rad. 15, 144 (2008). [10.5] 高橋直, 私信. [10.6] K. Takeshita et al., Nucl. Instr. Meth. A467-468, 829 (2001). [10.7] H. Ohashi et al., Nucl. Instr. Meth. A710, 139 (2013). [10.8] T. Tanaka and H. Kitamura, J. Synchrotron Rad. 8, 1221 (2001)； URL: http:// radiant.harima.riken.go.jp/spectra/. [10.9] T. Mochizuki et al., Nucl. Instr. Meth. A467-468, 647 (2001). [10.10] K. Tamasaku et al., Proc. of SPIE 4782, p. 132 (2002). [10.11] J. Susini, Opt. Eng. 34, 361 (1995).
97
[10.12] T. Uruga et al., Nucl. Instr. Meth. A467-468, 782 (2001). [10.13] H. Mimura et al., Nature Phys. 6, 122 (2010). [10.14] H. Yumoto et al., Proc. of SPIE 7448, p. 74480Z-1 (2009). [10.15] M. Suzuki et al., J. Synchrotron Rad. 6, 190 (1999). [10.16] T. Ishikawa, K. Tamasaku, and M. Yabashi, Nucl. Instr. Meth.
A547, 42 (2005). [10.17] K. Amemiya and T. Ohta, J. Synchrotron Rad. 11, 171 (2004). [10.18] Y. Senba et al., Nucl. Instr. Meth. A649, 58 (2011). [10.19] S. Goto et al., J. Synchrotron Rad. 5, 1202 (1998). [10.20] T. Takeuchi et al., Proc. of SPIE 7448, p. 74480Y-1 (2009). [10.21] S. Goto et al., Proc. of SPIE 6705, p. 67050H-1 (2007). [10.22] H. Ohashi et al., Nucl. Instr. Meth. A467-468, 801 (2001).
98
11. 制御システム 11.1 制御システムの概要 加速器、挿入光源およびビームラインの運転制御用ソフトウェアとして以下のような機能が求められる。 高い信頼性を持ちユーザがシステムを安心して使える 建設、立ち上げ、運転、高度化のそれぞれのフェーズに応じた柔軟な制御を実現する
加速器の寿命、２０～３０年、に渡って制御システムを維持管理するための移植性
上記に加え後述する入射器制御システムと一体で運用できることが要求される。 これらの要求を満たせるシステムとして SPring-8 で開発された制御フレームワークMADOCA (Message and Database Oriented Control Architecture)を用いる [11.1] [11.2] [11.3]。MADOCA は分散制御型アーキテクチャで、SPring-8、広島大学HiSOR、X線自由電子レーザー施設SACLAに適用され信頼性が高く、安定運転の実績を持っている。MADOCAの特徴として SVOC という人が読める形に抽象化された命令体系を用意することで機器の末端を GUI 製作者が知らなくてもよく、抽象化された命令を使いロジックを組み立てることで上位設計を促すことができる
RDBMS(Relational DataBase Management System)を前提とした制御フレームで Online,Archive,Parameter の各データベースを RDBMS で管理することでデータの一意性を保つことが出来る
Message を使った非同期処理とネットワークの隠蔽を行うことで GUI 製作の負担を軽減できる
コントロール系とデータ収集系のユーザ関数を共通化することでコントロールできればデータ収集が可能になる
Webサービスを使ったデータの可視化を行うことができる などが挙げられる。これらの特徴により信頼性、Parameter データベースを使用した再現性、安定した運転と柔軟な制御を満たすことができる。 運転用の端末として使用される上位計算機系はオペレーティングシステムとして Linux を使用して、GUI Builder やグラフライブラリーの提供を行う。 インターロックを司る制御機器は PLC(Programmable Logic Controller)で
99
構成しハードワイヤ同等の安全性を確保する。また省配線システムを導入し作業工程の短縮とメンテナンス性の向上を目指す。 入射器として SACLA で開発した線型加速器制御システムを流用することで迅速な立ち上げと安定した運用を実現する。線型加速器の高周波加速ユニットを１単位としインターロックを含むHigh Power RF 系は PLCで構成し、Low Level RF 系及び Beam Monitor 系は VMEを採用する。[11.4] 実験ユーザとの取り合いは実験に必要な加速器などの運転状況の取得と光源のパラメータ設定を行うための API(Application Programming Interface)を提供して実験システムからの操作を可能にする。 ネットワークは制御系ネットワークおよび実験系ネットワークで構成し、制御系ネットワークは他のネットワークから Firewall によって切り離し独立したネットワークとして構築する。各ネットワークは基幹 10Gbit Ethernet、支線1Gbit Ethernet 接続とする。実験系ネットワークは将来の利用実験の高度化に応じて、高速 Ethernet 規格(支線 10Gbit、基幹 40Gbit, 100Gbit)にアップグレードできる構成とする。制御系および実験系ネットワークは各々異なるセキュリティポリシーで運用し、ファイアウォールにより通信制御を行う。 11.2 蓄積リング制御系 蓄積リング制御系では、真空機器、高周波加速システム機器、各種電磁石電源、ビーム診断機器、入射システム機器および挿入光源等の制御、監視、データ収集・分析等を行う。 － 真空機器制御系 真空機器制御系では、真空ポンプ等の排気系やゲートバルブ類の制御ならびに状態監視、真空計データの取得を PLC で行う。PLC は 2 セル毎に 1 台程度配置し、全 PLC を信頼性の高い PLC 間光ファイバネットワークを用いて接続する。また、現場で作業する際の機器の操作や状態監視が行えるよう、各 PLCにはタッチパネルを装備する。真空度の悪化に伴う機器保護インターロックはPLC 間ネットワークを用いて構築し、蓄積リング機器保護インターロックに接続する。これら PLC と真空制御用計算機（PLC 互換モジュラー型 FA 計算機）は FL-net 等を介して接続し、上位計算機系から蓄積リング真空系の制御や状態監視を行う。
100
－ 高周波加速システム制御系 高周波加速制御系では、加速空洞の電圧、位相、周波数、温度、タイミング等の設定、自動制御および状態監視をMicroTCA.4 計算機を用いて行う。大電力系および冷却系機器は PLCで制御し、EtherCAT等の省配線システムを経由してMicroTCA.4 計算機とデータ等情報のやり取りを行う。 － 電磁石制御系 電磁石・電源制御系では、電磁石電源の起動・停止、電流設定、各種状態監視等の制御を PLC 互換モジュラー型 FA 計算機で行う。耐ノイズ性の向上とCOD補正時などの電磁石励磁の同時性確保のために、電磁石電源の制御には光ファイバー接続のリモート I/O システム[11.5]を用いる。また、電磁石および電磁石電源の機器保護インターロックは PLCを用いて構築し、FL-net 等を介して PLC互換モジュラー型 FA計算機と接続する。 － ビームモニタ制御系 ビームモニタ制御系は、ビーム電流検出器、ビーム位置モニタ、ビームサイズ測定装置およびビーム不安定性抑制装置で構成される。ビーム位置のモニタには高周波加速システムで採用するMicroTCA.4 または Libera Brilliance+を信号処理に使用する。放射光を用いたビームサイズの測定は、CCDカメラで取得した画像を PC（または MicroTCA.4 計算機）等に取り込み、画像処理等を行うことで実施する。 － 挿入光源制御系 挿入光源制御系では、EtherCAT 等の省配線システムを経由したステッピングモータの制御と光ファイバー接続リモート I/O システムを介した補正電磁石電源を PLC 互換モジュラー型 FA 計算機から行なう。挿入光源の操作による軌道変動を最小化するために高速なフィードフォワード制御を行い、挿入光源の独立調整を実現する。 － ビームライン制御系 ビームライン制御機器は、１本のビームラインを単位として、ビームライン
101
管理計算機、ビームライン制御端末、機器制御用フロントエンドで構成する[11.6]。ビームライン管理計算機はビームライン機器を操作する GUI の実行環境を提供し、ビームライン制御端末はビームライン管理計算機で実行する GUIのリモート表示環境を提供する。機器制御用フロントエンドは、ステッピングモータ制御や外部制御システムとのインターフェースを行うための計算機群として種々の制御環境を提供する。フロントエンド部および輸送部制御用計算機は、PLC互換モジュラー型 FA計算機で行なう。 － 蓄積リング機器保護インターロック 蓄積リング機器保護インターロックシステムは、蓄積リング加速器の各装置や、挿入光源およびビームラインからの機器保護インターロック信号を受け、蓄積ビームを速やかにビームアボートシステムで廃棄するか、高周波加速システムのRFスイッチを切ることで廃棄する。また、ビーム入射時には電子銃からの電子ビームの取り出し、および蓄積リングへのビーム入射を禁止する。 参考文献 [11.1] R. Tanaka et al., Proc. of ICALEPCS97, Beijing, China, p. 1 (1997)；
田中良太郎、「加速器」Vol.2, No.2, 162 (2005)。 [11.2] T. Matsumoto et al., Proc. of ICALEPCS13, San Francisco, CA,
USA, p. 944 (2013). [11.3] M. Kago, A. Yamashita, Proc. of ICALEPCS13, San Francisco, CA,
USA, p. 532 (2013),. [11.4] T. Fukui et al., Proc of ICALEPCS09, Kobe, Japan, p, 762 (2009). [11.5] T. Masuda 他、第５回日本加速器学会年会プロシーディング、東広島、
p. 377 (2008)。 [11.6] T. Ohata et al., Proc. of ICALEPCS99, Trieste, Italy, p. 666 (1999).
102
12. 放射線遮蔽 東北リング計画を構成する加速器は、入射器としての線形加速器と電子を蓄積するシンクロトロンからなる。線形加速器は将来的には XFEL を単独で発生することも検討されている。本評価では加速器を収納する遮蔽壁と、電子を廃棄するビームダンプに関して検討を行った。 12.1 遮蔽設計基準値及び運転形態 日本国内の放射線使用施設における実効線量に関わる基準値は、放射線障害防止法により定められており、管理区域内の人が常時立ち入る場所においては、実効線量で 1週間につき 1ミリシーベルト以下になるように遮蔽物を設ける必要がある。放射線作業従事者の労働時間を1週間につき40時間を想定すると、1時間につき 25マイクロシーベルトが遮蔽設計に関する基準値となる。 本評価ではこの値を基準として遮蔽設計を行うが、管理区域や事業所の境界での実効線量限度を考慮していないこと、また、一般的に施設ごとに上記の値よりも厳しい値を用いて管理することなどから、実際の建設の際には遮蔽体の大きさが大きくなる、もしくは、局所遮蔽を追加する必要が出てくる可能性があることを考慮されたい。 また、評価の結果は仮定したビーム損失に対してのものであり、仮にそれよりも大きな損失が生じる様な事象に対しては、遮蔽壁外側の各要所にエリアモニタを設置し、安全インターロックシステムと連携させることで、遮蔽壁外での安全を担保する必要がある。 12.2 評価方法 評価は、SPring-8 で用いられている簡易計算式による方法と[12.1]、前方方向に関してはモンテカルロコード FLUKA[12.2, 12.3]を適時用い行った。考慮した放射線を以下に示す。 • 加速器構造材や残留ガスと電子の相互作用により生成するガンマ線 • 高エネルギーガンマ線によって生成される中性子 本評価で用いるコンクリートは密度が 2.2g･cm-3の普通コンクリートである。
103
12.3 線形加速器 線形加速器は最大エネルギーが 3GeV で、リングに蓄積する場合は 1Hz、XFEL を発生する際は 10Hz で運転する。主要パラメータを以下に示す。 • 電子のエネルギー：3GeV • 電子銃からの出射電荷：1nC/pulse (single bunch) • 繰り返し：25Hz また、線形加速器でのビーム損失を表 12.1 に示す。
表 12.1 線形加速器でのビーム損失
損失箇所 エネルギー （GeV）
損失電荷 （nC/sec）
損失パワー （W）
電子銃からバンチ圧縮部 0.03 12.5 0.375 バンチ圧縮部から ビームダンプ
3 0.25 0.75
ビームダンプ 3 25 75
ビームダンプの構造は中心部分を比較的残留放射能の少ないグラファイト（密度 1.7g･cm-3、半径 15cm、長さ 90cm）とし、その周囲を鉄の遮蔽で囲んだ二重構造を想定した。設置場所は線形加速器と同じ遮蔽壁内、レベルに置くものとし、1Hz と 25Hz の場合で評価した。 12.4 蓄積リング 蓄積リングの主要パラメータを示す。 • 電子のエネルギー：3GeV • 蓄積電流：400mA • ビーム寿命：4時間 • 周長：354.094m • セル数：16 また、蓄積リングでのビーム損失を表 12.2 に示す。蓄積リングへの入射は 1Hzで、線形加速器から出射された 1nC の電子の内、12.5 パーセントが入射部で損失する。蓄積された 400mAの電子は 32ヶ所の運動量分散部で、4時間で均等に損失していくと仮定した。実際のビーム寿命は 10時間程度と見積もってい
104
るが短時間に電子が損失することも想定し寿命を 4 時間で評価する。残留ガスと蓄積電子の相互作用からのガンマ線の評価は、直線部の長さを 10m、真空度を 10-7Pa として行った。
表 12.2 蓄積リングでのビーム損失
損失箇所 エネルギー （GeV）
損失電荷 （pC/sec）
損失パワー （W）
入射部 3 125 0.375 運動量分散部（32ヶ所） 3 1.0 0.003
12.5 検討結果 表 12.3 に各地点における損失地点から遮蔽体までの距離、遮蔽体の材質および厚さを示す。側壁に関しては最も厚い箇所に関して結果を示す。 入射部延長上のビームラインは使用しないものとして評価した。また、ビームライン方向の計算には残留ガスと蓄積電子の相互作用からのガンマ線とそれに付随する中性子のみが寄与するとして評価を行った。前方方向の鉛はビームダクトを囲むように断面が 40 x 40cm2程度必要と思われる。
表 12.3 各地点における遮蔽パラメータ 場所 遮蔽体までの距離（m） 材質及び厚さ(cm）
側方遮蔽壁（線形加速器） 2.0 コンクリート 105
最下流遮蔽壁（線形加速器） 20 コンクリート 210
側方遮蔽壁（入射部） 1.3 コンクリート 100
前方遮蔽壁（入射部） 17 コンクリート 100(210)、鉛 15
前方遮蔽壁（ビームライン） 17 コンクリート 89、鉛 11
※括弧内の数値はコンクリートのみの場合
表 12.4 にビームダンプの鉄遮蔽の厚さを示す。コンクリート遮蔽壁の厚さは表12.3 の線形加速器に関する値を、コンクリート遮蔽壁までの距離を側方は2.8m、前方は 5mとした。ビームダンプの設置場所によっては鉄遮蔽の厚さを薄くすることが可能である。
105
表 12.4 ビームダンプの鉄遮蔽の厚さ
繰り返し（Hz） 鉄遮蔽の厚さ（cm）
1 35 25 120
参考文献 [12.1] Y. Asano and N. Sasamoto, JAERI-Tech 98-009 (1998). [12.2] G. Battistoni et al., AIP Conference Proceeding 896, p, 31 (2007). [12.3] A. Ferrari et al., CERN-2005-10 (2005),
13．建屋・設備
表13童の内密は、用地；巽定を含む今後のシステム設計の進展に
13．1施設建屋概要
入射器系および蓄積リング棟の建屋外形を図13．1に示す。蓄積リング棟は、
直径約180mのほぼ円形の建屋で、その内部に周長354m、厚さ1mの普通コ
ンクリートの加速器収納部トンネルと、そのトンネルの外周側にビームライン
および実験ステーションを設置する実験ホールと実験準備室を、そして内周側
に各種電源室と搬入組み立て室、および各種診断・真空制御機器を設置する幅
2．5mの保守通路を設ける。実験ホールへの機器の搬入は搬入組立調整棟と搬入
室の2ヶ所から行う。
入射器棟は長さ180m、幅15mの長方形の建屋で、下流部で蓄積リング棟に
接続され、入射器棟の位置は、放射光ビームラインの効率的な利用と入射器の
将来計画を考慮し決定された。建屋の屋根にはエネルギーの地産地消を目指し
太陽パネルを設置できる構造とする。
275州
図13．1建屋平面図。数字の単位はメートル。
106
107
13.2 蓄積リング棟 蓄積リング棟内には、5.4ｍ直線部から 14 本、１.7ｍの短直線部から 12 本計 26 本のビームラインを計画している。ビームラインの長さは標準で 60ｍ、最長で 100ｍ、最短で 45ｍで、実験ホールの外周側には、これらビームラインに対応した測定準備室 24部屋(各 70m2)と共通実験室 8部屋（各 70m2）を設置する。 蓄積リング棟の内周側に、電磁石電源室として 400m2、高周波電源室として 180m2、入射機器電源室として 50m2、組み立て搬入室として 400m2
を設置する。なお、クライストロン用の高圧電源は 10数トンと重いこととメンテナンス性の二つの点から受電ヤード内に設置する事も検討する。蓄積リング棟の A-A 位置での建屋断面形状を図 13.2 に示す。リング棟の内周側の建屋側壁とトンネルの間にするビーム診断系、真空制御系ラック等を維持管理するための幅 2.5m の保守通路を設ける。実験ホール内の機器の設置・移動に用いる揚程 7.5m、吊り荷重 2.8 トン程度の周回横行クレーンを２台設置する。また実験ホール内の外周側の幅 2.5m 程度は保守通路として利用する。実験ホールの室温は 25±2℃に安定化する。一方トンネル内の熱負荷はリング一周で 70kW程度と小さいことから極力空調システムに依存しない室温安定化手法を導入する。
図 13.2 蓄積リング棟A-A 断面図。数字の単位はメートル。
加速器を設置する収納部トンネルの断面形状を図 13.3 に示す。トンネルの内法寸法は幅 6.8m（点線部は最短部 4.7m）、高さ 4m で、ビーム中心は床上1.2mである。トンネル内には、揚程 3.5m、吊り加重 2.8 トンの周回横行クレーンとビームライン機器および高周波機器の設置に用いる旋回半径 2.5m、吊り加重 300kg の周回旋回クレーンを設置する。また、トンネル内部の内周側には、一周に渡って幅 2.4mの保守通路部がある。
108
図 13.3 蓄積リングトンネル断面形状（点線はトンネルの最短幅位置）。数字の単位
はメートル。
蓄積リング棟地下通路部（B-B 部）の建屋断面を図 13.4 に示す。外周側から内周側に機器を搬入するため、空調された幅 6ｍ、有効高さ 3.5ｍの地下通路を設置する。この地下通路部には高圧電力ケーブルと冷却水配管を設置する幅 1m程度の側室を設ける。通路内の運搬はころ引きとし、開口部両端には挿入光源の搬入を可能とする 15トンクレーンを設置する。内周側の開口部とクライストロン設置ピットは直結させ、高周波電源室の建屋高さを抑制する。高周波電源室からトンネル内の高周波空洞に高周波電力を伝送する導波管を設置する地下ピット（空調付き）を設ける。トンネル内へ機器を搬入する搬入口を組み立て搬入室に設置する。建設時にトンネル内へ電磁石、高周波空洞、挿入光源、真空チェンバ、入射部機器等を短期間に搬入するための仮設搬入口を図 13.1 に示すトンネル外周側に一カ所設け、機器搬入後はコンクリートブロックで封止する。
図 13.4 蓄積リング建屋 B-B 部断面形状。数字の単位はメートル。
109
13.3 入射器棟 線形加速器から電子ビームを蓄積リングに内側から入射するため、入射ビーム輸送路はリングの実験ホール下を斜めに横切り、内側からビームレベルまで立ち上げる。加速器収納部トンネルは、長さ 120mの 3GeVの線型加速器、蓄積リングへ電子ビームを振り分け部、将来 FEL 設置可能な長さ 40m 程度の光源部、および電子ビームを廃棄するビームダンプ部で構成され、トンネルのコンクリート厚は、ダンプ後方の 2.5m を除き 1.2m とする。また、ビーム輸送部トンネルの長さは約 60mで壁厚は 1mとする。加速器収納部トンネルの内法寸法は幅 4.55m、高さ 4.1m、光源部およびビームダンプ部は幅 10m、高さ5m 程度とする。トンネル内には吊り加重 2 トン程度の横行クレーンを１から２台、ダンプ輸送系につり荷重 1トン程度を 1台、搬入室に 5トン程度のクレーン 1台、クライストロンギャラリー内には 2トン程度の直線横行クレーンを設置する。機器搬入口をトンネルの最上流部と光源部下流部に設置する。トンネル内には空調は設置せず、建屋空調とコンクリート壁の熱容量および熱伝導と加速管の冷却水温による室温安定化方式とする。 13.4 受電・空調冷却系設備 6.6kV 受電用機器および空調・冷却水用ポンプと冷凍機等設備は、機器の保守性を確保するためと、電子および X 線ビームに対して設備機器の振動の影響を極力低減するため、図 13.1 に示す位置に設けた独立した基礎上（ヤード面積約 600m2）に設置する。加速器および施設設備の概略使用電力を表 13.1 に示す。 機器・設備の定格電力は約 4.7MW であることから、施設全体の電気設備容量は将来拡張性を考慮し 5ＭＷ程度とする。特別高圧受電は 66kV とし、蓄積リングのクライストロン電源への供給は 6.6kV、その他の機器へは容量に応じて 400，200，100V 系で供給する。定常運転時の使用最大電力は約 3.7MWである。
110
表 13.1. 使用電力量概算値
設備・機器 最大定格使用電力（MW）
・加速器系 2.60 高周波系 1.65 電磁石系 0.35 Linac・ビーム輸送系
0.60@25Hz (0.26@1Hz)
・制御系・ネットワーク系 0.1
・ビームライン+実験系（26本） 0.28@10kW/BL
・実験準備室・研究室機器等 0.４
・施設設備 1.３ 空調 0.4 冷却水 0.8 照明等 0.1
計 4.68
冷却設備は、維持管理等を考慮し、電磁石＋真空（L1）、高周波関係（L2）、ビームライン+実験ホール（L3）、線型加速器（L4）の４系統に分け冷却水を供給する。L1, L2 系統の熱負荷と流量は施設の整備状況によって大きく変わることはない。これに対し、L3系統はビームラインの機器構成や整備本数（当初は数本程度）で熱負荷と必要流量が大きく変化し、L4系統では、熱負荷が 1Hz運転（リングへのトップアップビーム入射における繰り返し）と、定格の 25Hz運転では熱負荷が３倍（0.5MW）ほど変化する。この大きな負荷変動に対応するため、ポンプ出力（ポンプ出力は回転周波数の 3 乗に比例）の制御方式としてインバータ方式を採用する。出力の変更に対して、機器の流量バランスはアイリス、またはバルブで調整する。
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May the Light be with you.
東北放射光施設 SLiT-J 「3GeV 高輝度光源加速器システム提案書」V2.0
2016 年 3月 東北放射光施設推進会議／推進室 http://www.slitj.tagen.tohoku.ac.jp/
問い合わせ先
〒982-0826 仙台市太白区三神峯 1-2-1 東北大学電子光理学研究センター 濱 広幸（022-743-3432）
