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SPring-8蓄積リングの10年
理化学研究所 X-FEL計画推進本部
熊谷教孝
2007年 SPring-8加速器ビーム運転
10周年記念講演会
1997/3/13 蓄積リングビームコミッショニング開始
COD(未補正) (1997/3/27)
許容値: ±20mm(x)、±15mm(y)
@磁場中心を20μmでアライメント
1997/3/25 COD未補正でRF捕獲に成功
1997/3/13: 入射調整開始 (バンプ軌道off)
ほぼ1周を放射線モニターで確認
SPring-8の建設時の設計指針
• 第三世代高輝度放射光の利用
• 高輝度・高性能放射光の安定供給
低エミッタンス電子ビーム
高安定電子ビーム軌道
高純度単バンチビームと任意フィリング
top-up運転
柔軟性の高い制御システム
• 加速器および放射光に関する先端的研究開発
30m長直線部、中および長尺ビームライン
SPring-8の加速器・建屋設計建設段階での考慮点
低エミッタンス電子ビーム
電磁石: 低残留磁場、低ヒステリシス、磁場特性の低個体差
四極、六極電磁石:磁場中心の高精度測定とアライメント基準芯校正
電磁石の据え付け: 共通架台、高精度アライメント機器(レーザー+CCD)の開発
二段階アライメント法の開発、 Smart310の導入
電源: 0.001%以下の電流安定度と0.01%以下の電流リップル
徹底的な軌道解析 : 機器許容誤差範囲の明確化
軌道安定化 指針:低エミッタンスビームに見合った安定度の実現
加速器系
電磁石: 低ジュール損コイル、 鉄心とコイル間に簡易熱絶縁
共通架台: 振動のコモンモード化 @収束・発散の積分値がほぼ等しい
建屋系
リング棟: 岩盤上に建設、鞘堂構造、床面に縁切りスリット
収納部内温度: 1℃以内に恒温化 電磁石、ケーブルの発熱の低減設計
冷却水 : 変動1℃以内に安定化
冷却水ポンプ、冷凍機 : 除振機構の導入
ビームサイズの安定化 @ ビーム不安定性の回避
加速空洞(バンチ結合型ビーム不安定性)
加速空洞の高次モードインピーダンスの低減とHOM周波数の分散
HOM周波数の精密調整 @冷却水温度の安定化(±0.01℃)
@HOM用稼働チューナーの精密制御
真空機器(シングルバンチビーム不安定性)
ベロー、フランジ等の低インピーダンス化(rfフィンガー、テーパー管等)
@Z///n = 0.1Ω程度
長いビーム寿命と安定な運転 高積分輝度の実現
100ナノパスカルの超高真空度の実現 @アンテチェンバー方式
@クロッチアブソーバー等で局所受光
加速空洞の安定運転 @ノークローバー方式のサイリスタ型kly高圧電源
@拡散溶接による高信頼加速空洞
リニアックの安定運転 @80MWクライストロンの導入によるシステムの簡素化
ビーム性能の高度化と運転モードの多様化への柔軟な対応
ビーム性能の高精度化
@ビーム位置検出器: CODモード CODを高精度に測定
シングルパスモード 周回軌道の測定
@加速器診断ビームライン Bmag と ID からビーム診断ラインの設置
多様な運転モード: 単バンチから多バンチまで
@絶対バンチアドレス方式のタイミングシステム
ref.: H.Suzuki et al.,NIM A431(1999) 294-305, “508.58MHz synchronous
universal counter for beam control system of SPring-8”
@高純度単バンチ運転
@トップアップ運転
@柔軟な制御システム(MADOC)の実現
Properties ESRF APS SPring-8
Energy(GeV) 6 7 8
Horizontal emittance(nm-rad) 4 3.1(2.8) 3.3
Coupling(%) 1 1 0.2
Top up operation non top-up Top-up /non top-up
top-up
Circumference(m) 844 1104 1436
Current(mA) 200 100 100
Bunch contrast at single bunch 10-7 (10-9) 10-7? 10-10
Orbit change X/Y (micron(rms)) 1.5/0.7(f-FB) 2/1(f-FB) 2/2(cod-FB)
Undulator length(m) 5 5 5/25
Brilliance @12.4keV(ph/s/0.1%BW/mrad2/mm2)
2.9×1020 1.2×1020 6×1020
2.4 ×1021
SPring-8のビーム性能の現状とESRF,APSとの性能比較
輝度の向上を目指しビーム電流の増強: 300mA(ESRF) 200mA(APS)
ビームエミッタンス (水平 : 3nmrad 垂直: 6pmrad)
27mID 4.5mID
水平 垂直 水平 垂直
β=24m β=14m β=22.5m β=5.5m
X線
12.4KeV
8pmrad
27mID
サイズ
発散角
268μm 6.5μm 260μm 5.7μm
11μrad 0 .46μrad 11.5μrad 1.04μrad
4.1μm
1.9μrad
SPring-8蓄積リングの電子ビームサイズの現状
電子ビームの常時軌道振動 : ビームサイズの1/3程度以下へ
遅い軌道振動(0.1から200Hz) X(rms): 3μm Y(rms):0.8μm
top-up入射時の軌道振動 Xpeak: 100μm、Ypeak:10μm、τ: 200μs
入射間隔 1ないし5分
実効的な振動の大きさはビームサイズに対して無視できる水準に到達
2006年 ビームライン数=49本
供用:26本 専用:14本 理研:7本
加速器診断;2本
残り13本
4.5mID:8本、30mID:3本、Bmag:2本
1998年 ビームライン数=10本
ビームライン整備の指針(高度化委員会)
既存供用放射光利用分野
専用施設利用分野
産業利用 トヨタ専用ビームライン等
基礎科学 LEPⅡ
教育研究 東京大学、東北大学等
SPring-8 ビームライン整備の歴史
SPring-8 で可能な X 線およびγ線エネルギー(計画を含む)
γ-rays 8GeV 3GeV 10MeV Inverse Compton scattering
Hard X-rays 3MeV ~ 100keV
300keV ~ 100keV
Super Conducting Wiggler
Multi-Pole Wiggler
X-rays 100keV ~ 5keV Undulator/Bending Magnet
Soft X-rays 5keV ~ 200eV Undulator/Bending Magnet
Infrared 400 ~ 2meV Bending Magnet
8GeV-γ線 : 隣接したビームラインからの軟X線を折り返し8GeV電子で逆コンプトン散乱
10MeV-X線: 遠赤外レーザーとの逆コンプトン散乱 (電子の損失はない)
運転の現状
会計年度 総運転時間 加速器調整 スタディー BL調整 利用時間 故障時間2003 5419 750 495 3965 2092004 5759 723 363 4591 1822005 5317 1045 276 238 3698 602006 3971 543 245 187 2960 36
2004,2005: 台風によるバックアップ等で利用時間と加速器調整時間に影響
2006: 半期
2005年度トップアップ運転時の入射中断回数
415回 内訳 linac:51% sy:30% その他(制御、、):19%
利用時間/計画利用時間(利用時間+故障時間)=98.4% @2005
98.8% @2006(半期)
運転開始から10年間の改造の歴史ビーム性能の高度化 から 機能の高度化へ
エミッタンス、ビーム電流、 運転モード、随時トップアップ、
軌道の安定度、純度 低エネルギー運転、、、、
会計年度 エミッタンス lattice ビーム電流 軌道安定化 運転 top-up運転 低エネルギー運転(4GeV)
1997 6.8nmrad hybrid- lattice 20mA SPring-8
1998 60mA New-subaru
1999 100mA トップアップ作業開始HHLV-lattice リニアック安定化、制御高度化
2000 rf部アブソーバ放射線損傷 入射時ビーム損失過程の解明30m-LSS rf A-st 増設
2001 軌道変動要因の調査 高精度入射セプタム 4GeV入射試験開始および震動源の除去 開発
2002 試験120mA rf D-st 空洞水漏れ 高精度入射バンプ電磁石 3.4nmrad 低エミッタンスラティス 開発
2003 高速・高精度BPMの rfD-st 空洞交換 SSBTにコリメータ設置 6.8nmrad 低エミッタンスを中断 開発を開始 入射部チェンバー放射線損傷不安定抑制装置の導入
2004 top-up運転の導入同時随時topup入射
2005 3 .4nmrad 低エミッタンス再開 Xrms:3μm, Yrms:0.8μm 台風でリング棟損傷
2006 4GeV、100mA新BPMシステムに更新 0.8nmrad
2007
200mA対応R&D高耐熱アブソーバー等機器開発継続
入射効率の改善40%@gap open
入射効率 85%以上@gap open
加速器の高度化: R&Dおよび意識改革を含め導入までに長期間を要する
SCW,crab-cavity,インバースコンプトンγ線、高干渉性X線
SPring-8加速器制御系(+ビームライン制御系)高度化の歴史
リニアック、シンクロトロン、蓄積リング @運転を最優先し独自の制御系で建設
1997年 ビーム性能の高度化を目指し蓄積リング制御系(MADOC)に統合化開始
MADOCA:メッセージとデータベース指向 制御様式 (MADOCA)
1998年 シンクロトロン制御系をMADOCに更新・統合
2000年 リニアック制御系をMADOCに更新・統合
VME CPUボード : HP系からインテル系へ更新
OS : LinuxからSolarisへ更新
2003年 HiSORにMADOCを導入
測定の高機能化・高精度化対応 イベント駆動型データ収集系の開発
top-up等の高機能化対応としてネットワークの高速化・高機能化
2004年 広域遠隔制御系の運用開始
加速器等機器障害時に所外からの迅速な対応
利用の高機能化・高精度化に対するシステムの柔軟性拡張性の確保
30m長直線セルの導入と低エミッタンスオプティックス
Hybrid and HHLV 30m-LSS
Low emittannce mode
電子ビームの軌道安定化
• 常時軌道振動の抑制
• 真空チェンバーの固定
• 新高性能BPM処理システムの導入
ビームエミッタンス (水平 : 3nmrad 垂直: 6pmrad)
27mID 4.5mID
水平 垂直 水平 垂直
β=24m β=14m β=22.5m β=5.5m
X線
12.4KeV
8pmrad
27mID
サイズ
発散角
268μm 6.5μm 260μm 5.7μm
11μrad 0 .46μrad 11.5μrad 1.04μrad
4.1μm
1.9μrad
SPring-8蓄積リングの電子ビームサイズの現状
電子ビームの常時軌道振動 : ビームサイズの1/3程度以下へ
遅い軌道振動(0.1から200Hz) X(rms): 3μm Y(rms):0.8μm
top-up入射時の軌道振動 Xpeak: 100μm、Ypeak:10μm、τ: 200μs
入射間隔 1ないし5分
実効的な振動の大きさはビームサイズに対して無視できる水準に到達
Xrms Yrms
固定前 8.2μm 3.5μm
固定後 3.0μm 0.8μm
チェンバー等振動源固定前後の軌道振動
Qmag内の真空チェンバーが振動 誘起された渦電流で軌道が振動
チェンバーおよび、冷却水配管を固定
一週間の周長変動
地球潮汐:30μm
エネルギー変動?
0.001%
周長の年変化:1997-2007
1.5mm@10年
コンクリート、地盤の乾燥
1mm@年変動
岩盤の地温変動
地下5mの温度と相関
高速・高精度BPM新処理回路の導入(CODのサブミクロン補正)
16bit、2M-サンプル/秒 ADC + DSP(VME)
測定精度 0.2ミクロン(rms) @1.5ミリ秒/ch
0.04ミクロン @100サンプル平均化(DSP)
リング一周の測定時間間隔 1.5秒 (現状30秒)
COD補正の精度: 現状旧システムと同レベル
0.1Hzー200Hzの軌道振動は振動原因の除去・抑制で対応
現状 :水平(rms値):3μm 垂直(rms値) : 0.8μm
Top-up運転
1.一定な放射光強度により測定精度が向上
光学素子、BPM等機器が熱平衡状態に
2.運転時間の有効活用で積分輝度が向上
BL35ID ビームライン(高分解能非弾性散乱実験) サンプル上の光束
10-7のエネルギー分解能を長さ100mのX線光学系で実現
光学機器の熱的平衡状態が必須 → トップアップの導入
目標 水平: 1.5mm → 0.1mm 垂直: 50μm → 4μm
Top-up入射時 : 蓄積ビームの軌道振動をビームサイズの1/3程度に抑制
入射効率の改善 (放射線許可条件から80%以上)
入射効率のIDギャップ長依存性
入射時の蓄積ビームの軌道振動
]
入射時の蓄積ビームの軌道振動の抑制1 DCセプタム電磁石の漏れ磁場の抑制 、
2 バンプ電磁石の端板での渦電流の抑制、パルス電源のLCおよびケーブル特性の最適化
3 入射バンプ軌道内に存在する6極電磁石が引き起こすバンプ漏れ軌道の最小化
4 バンプ電磁石の傾きの修正 と高速キッカー
水平
垂直
フィリングモードについて(2007A 期) I=100mA
0
0.5
1.0
1.5
2.0
0 400 800 1200 1600 2000 2400
Bun
ch C
urre
nt [m
A]
Address
2/29 + 26 シングル (1.4mA)
1/7 + 5 シングル (3.0mA)
トップアップ運転+挿入光源ギャップ閉の状態: 3mA/b+入射効率 80%以上
low ξ(+2.+2) + BBF(Bunch by Bunch Feedback)でOK
0
1
2
3
4
0 400 800 1200 1600 2000 2400
Bun
ch C
urre
nt [m
A]
Address
単バンチ純度
10-9から10-10
0.95mA/バンチ(電子数 2.85×1010)でのバンチ不純度
主バンチの前方 2×10-11以下 (3σの統計誤差で評価)
主バンチの後方 7×10-10以下
1電子の放射光科学
電子が存在しない
光シャッターの消光比 10-5
ビーム不安定抑制装置(BBF)の開発と導入 by 中村剛等
目的: top-up運転の導入
80%以上の入射効率を実現するためにはξx,yを2以下にすることが必須
100mAでの多バンチおよびセベラルバンチモードでビーム不安性の抑制
Bunch-by-Bunch フィードバック(BBF)の開発
低エネルギー運転
• エミッタンスの低減
• 空間干渉性の向上 (高性能IDの利用で)
• Top-up運転の導入
タウシェック効果によるビーム寿命の短縮
5060708090
100110120
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4
σ x [μm
]
Ib [mA]
8GeV
4GeVcal. with IBS
cal. w/o IBS
SPring-8の4GeV、I=100mA試験運転の現状
by K. Soutome
水平エミッタンス; 8GeV: 3.4nmrad 4GeV: 0.86nmrad
入射効率:40から50% 随時トップアップ運転に課題
1017
1018
1019
1020
1021
1022
101 102 103 104 105
ID19: λU=3.2cm, N=780, K (max) =1.76
ID47: λU=3.2cm, N=140, K (max) =2.46
ID27: λU=10cm, N=44, Kx(max) =4.77, Ky
(max) =9.64
4GeV8GeV
Bril
lianc
e[p
hoto
ns/s
/mm
2 /m
rad2
/0.1
%B
W/1
00m
A]
Photon Energy [eV]
ID27
ID47
ID19
4GeVと8GeVでのアンジュレータ放射光の輝度
ID19の輝度(@4GeV) : ID27(軟X線用ビームライン@8GeV)の300倍
空間干渉性が0.1%から1%レベルへ @10keV-X線
SPring-8の高度化の方向性
SPring8の光源性能と発展の方向性
パルス幅と時間構造
30~75psec(FWHM)sub-psecへ
2nsから4.8μsec
光子のエネルギー
赤外、軟X線、硬X線MeVγ線、GeVγ線(LEP)
輝度(現状)
平均輝度 1021
ピーク輝度 1025
干渉性
今後の高度化計画
10テスラ超伝導ウイグラー
大強度MeVγ線
大強度陽電子ビーム
GeVγ線の高強度化
今後の高度化計画
低エミッタンス化
エミッタンスの成形低エネルギー運転
蓄積電流の増強100mAから200mAへ
今後の高度化計画
短パルスX線の生成
バンチスライスcrab空洞によるバンチ回転バンプ
バンチ長の制御α、加速電圧、低エネルギー運転
多数の利用者が高機能高精度X線を同時利用 高い独立チューニング性(相互不干渉)
先端的あるいは多様な汎用的利用研究の推進 柔軟性の高い加速器システムの構築
上流側の2台でバンチ長に沿った時間情報を垂直方向の位置情報に変換
挿入光源からのX線をスライスすることでサブピコ秒の短パルスX線を生成
下流側の2台で位置情報を時間情報に戻し、電子ビームを元の状態に戻す
SPring-8の30m長直線部を用いたサブピコ秒X線生成
cEctrffπV
θ/
/)2sin(⊥=
pse4.0≈
tan
*2 ≈
θyσ
pσ通常の挿入光源技術が利用可能
独立チューニングを実現するためには、4台のcrab空洞の正確なrf同期が必須
利用の可能性●1014e+/sの大強度低速陽電子ビームの生成
●天体核物理 光核反応の断面積(16O, 180Ta)
●磁気コンプトン散乱による磁性研究
●中性子生成(γ+9Be)
10テスラ超伝導ウイグラーによる大強度MeV光子の生成
MeV-X線の単色化: 高い軌道安定度
MeVγ線の生成
遠赤外レーザーを用いた数MeVから数10MeV領域で高強度γ線の生成
波長118.8μm + 8GeV電子 10MeV領域のγ線
γ線のエネルギーがビームの運動量許容範囲内にあるため電子ビーム
は失われない
出力2Wの遠赤外レーザー外形
利用: クォーク核物理、天体核物理での元素生成、稀現象、非線形効果
FEL等との組み合わせで大強度γ線の生成: 原理的に1015から16γ/s@10MeV
エミッタンスの成形で電子ビームとレーザーの形状の整合が可能になり、
レーザーパワーがコンプトンγ線の生成に効率的に利用
●現状より二桁以上高い108から109/sの大強度γ線の生成が可能
●低出力の短波長レーザーで3GeV以上のγ線の生成が可能
LEPS laser system Ar-laser: 351nm、5W Laser spot size: 1mmφBeam size: 0.22mm(H) ×0.007mm(V) Tagged γ-ray intnsity 3×106/sec
[ ] [ ] [ ] [ ][ ] [ ]2
7106.2mmseVE
bmlWPAIdt
dN
LL
tL
××××
×=σγ
また、隣接した2本のビームラインを利用し下流側で生成した軟X線(100eV程度)を上流側直線部で電子ビームに衝突させることで、8GeVの高強度γ線の生成(105個/秒)が可能
22
2
)(4)(4
θγeLee
Le
EEEcmEEE
++=
レーザー・電子相互作用によるMeV-GeV高強度γ線の生成
The 37th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on Future Light Sources( May 15-19,2006,Hamburg)
想定外の事象
• 高エネルギーX線による冷却水内の溶存酸素および水
の活性化による機器損傷
• 冷却水ホースおよびケーブル等の放射線損傷
想定では十分な寿命 機器の製作が想定外
• 8GeV電子ビームのアボートによるチェンバー損傷
• 台風による蓄積リング棟屋根損傷と収納部内ピット浸水
水漏れ発生箇所
積算放射線線量 3.7×106 Gy
機器の放射線損傷: 受光素子(アブソーバ) @冷却水の溶存酸素の活性化による損傷
ゴムホース、ケーブル等有機物 @放射線による直接損傷
銅製アブソバー冷却水側内面が溶解、冷却水が真空チェンバー内に漏れる。
溶解した銅が再結晶化しフロースイッチ真鍮部を浸食
四極電磁石冷却水ゴムホースの交換
鉛板で電磁石コイル、ホース、ケーブル等を遮蔽
積算線量:1.4×107 Gy 積算線量:1.5×107 Gy積算線量:6.1×105 Gy
積算線量:2.1×106 Gy 積算線量:6.8×105 Gy
四極電磁石コイル表面の線量 下流側クロッチあるいはアブソーバーからの散乱X線
エポキシ樹脂の耐放射線:107~8Gy : 損傷の進行を止めるため鉛板で遮蔽
今後20から30年程度は使用可 @100mA
Q3
Q1 Q4
Q7 Q10
Q8
電子ビームのエネルギー(8GeV,100mA)
入熱:3840joule / 4.8μsec 数1000万度に!
sus中の電子の飛程:約20mm
電子ビームの拡がり(FWHM) :水平:0.55mm、垂直:0.01mm
台風16号 8月30日
午後8時から10時
最大瞬間風速 40m/s相生: ~41m (IHI)佐用: 37.4m(消防署)
屋根破損状況
台風16号で約270m
台風18号で約112m
収納部内セルダクトの浸水
台風21号
台風23号
旧締結金物 : スライド機能(折板の熱収縮)と固定機能(上折板の固定)が結合
二つの機能がトレードオフの状態 損傷原因:固定機能を重視等
新締結金物 : スライド機能と固定機能を完全に分離した断熱固定金物
固定
内筒がスライド
外筒がタイトフレームに固定
断熱二重折板
タイトフレーム
下折板
上折板 断熱
4.2mm/21.2℃/15m
中央部で拘束
30m
蓄積リング内側の
土砂災害要対策箇所
内周側裸地の舗装
収納部内セルダクト
への漏水防止対策
SPring-8 2020年
8GeV X-FEL linac : 130pmrad @1nC / 25pmrad @0.2nC
数10pm・radの超高輝度・高空間干渉性X線光源用入射器として最適
SPring-8を超高輝度・高空間干渉性光源に改造することで有効に
Multi Bend Achromat (MBA) Lattice
)lattice(f3θ2γxJqC
=ε
by A.Ropert(ESRF),ds))D21D(D(
21H
J
HC
2x
mag
x2
mag
x
mag2
q
β′−′β+πρ
=
ρ
γ=ε
∫
超低エミッタンス光源
(EPAC2006)
SPring-8Ⅱ 設計条件
周長は既存リングと同じ:1436m
ビームラインの数: 24本(既設を利用)
エネルギー:4GeVから6GeV
ビーム電流: 200mA
水平・垂直エミッタンス:4GeVで20pmrad以下(100%coupling)
入射器: 8GeV X-FEL用リニアック
数10pmradの超低エミッタンス電子ビームを入射
4GeV
37pmrad
SPring-8Ⅱ: 10 bend achromat lattice + 8GeV X-FEL linac
Period length 14mm
Number of periods 100
Gap width 5mm in the final version;8,12 and 16mm in the test version.
Super conductive undulator at ANKA( Physical Review STAB 9,010702(2006)
2.5GeV 112mA
SC-undulator +.低エネルギー電子で硬X線の生成が可能
SPring-8Ⅱ光源性能とCornell ERL-Ⅱ計画との比較
特性 SPring-8(現状)
8GeV 4GeV
SPring-8Ⅱ
6GeV(4GeV)
Cornell ERL-Ⅱ E=5.3GeV
Hi-flux Hi-coh Ultrafast
εx(nm-rad) 3.4 0.86 0.1 0.015 0.1
0.002
0.0005
200(400)
0.01
Coherent flux(I×TCF) 0.2 2 10(30) 1 2 0.008
1021~22
バンチ不純度 10-11 10-11? 10-11? 10-6?
0.1 0.015 0.1
0.0004 0.0004 0.0003
11 0.9 5000
(1nC)
3 3 0.2
100 10 1
0.01 0.2 0.008
平均輝度(std. Unit) 1020~21 10~22? 1022 1022 1019
0.04(0.018)
εy(nm-rad) 0.007 0.04(0.018)
エネルギー幅(ΔE/E) 0.001 0.0005
ピーク電流 (A) 840 (67nC)
(14mA/b,75ps)
ビーム電流(mA) 200(400)
バンチ長:σ(psec) 13 5.4?
100 (200)
Total Coherent [email protected]
0.002 0.05(0.15)
2020年のSPring-8
高強度X線二次元干渉光源
+
X線自由電子レーザー
世界の光量子科学を先導