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- さゆり よしなが
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1 極短周期アンジュレータの設置に最適化した小型電子蓄積リングの設計 DESIGN STUDY OF SMALL ELECTRON STORAGE RING FOR INSTALLATION OF VERY SHORT PERIOD UNDULATORS 大熊春夫 A), B), 山本樹 C), D) Haruo Ohkuma A), B), Shigeru Yamamoto C), D) A) 高輝度光科学研究センター Japan Synchrotron Radiation Research Center (JASRI) B) あいちシンクロトロン光センター Aichi Synchrotron Radiation Center C) 高エネルギー加速器研究機構 放射光 Photon Factory, Institute of Materials Structure Science, High Energy Accelerator Research Organization, KEK D) 総研大 物質構造科学 Department of Materials Structure Science, SOKENDAI (The Graduate University for Advanced Studies) PASJ 札幌 7.8.3
2 内容. 目的とリングの設計条件. 4 セルラティスの概要 3. 電磁石について 四極電磁石 六極電磁石 Combined 偏向電磁石 4. ダイナミックアパチャー チューン クロマティシティ 5. ビーム寿命の見積り Touschek 寿命 ガス散乱寿命 6. アンジュレータスペクトル 7. まとめ
3 目的 アンジュレータビームラインを主体とした低エネルギー小型リングの検討 極短周期アンジュレータを数多く設置する極短周期アンジュレータの特長周期長 6 mm L =.7 m で周期数 35-5 十分な磁場強度を得るためにGap = mm 以下とする必要がある 直線部の垂直ベータトロン関数 β y を小さくする必要がある ここで提案する放射光源が実現できれば 大幅な小型化および低コスト化につながる 設計条件 () 電子ビームエネルギー.5 GeV ( 周期長 mm の ID で基本波として約 kev が実現できる ) () 周長は 7 m 以下 (3) 極短周期アンジュレータが 台以上設置 (4) 直線部の長さは.8 m 以上 (5) 実効エミッタンスは 4 nm rad 以下 (6) ギャップ mm 以下を実現する 3
4 ラティス ( リング全体 ) 長直線部 ( 入射 ) 長直線部 (RF 加速 ) β y 低 β y 直線部は カ所 (L=.m) ラティス ( ユニットセル ) β [m] β x η [m] Combined BM η x s [m] S F S D ラティス ( 長直線セル ) Q F Q D 長直線部 (L=.5m) 低 β y 直線部 (L=.m) β y β y β [m] β x η [m] β [m] β x η [m] η x s [m] 3 34 η x s [m] 4
5 パラメータ Energy.5 GeV Circumference 6. m Natural Emittance 3.9 nm.rad Effective Emittance 35.7 nm.rad Momentum Compaction Factor.697 Betatron Tune (ν x, ν y ) (5.96, 5.558) Natural Chromaticity (ξ x, ξ y ) (-.8, -8.) Energy Spread.8 % RF Frequency MHz Harmonic Number = 5 Radiation Loss 335. kev/turn Damping Partition Number J x.7 J y. J s.783 Damping Time t x.474 msec t y.794 msec.6 msec t s ε eff = ε + (η xσ δ ) β x ε 5
6 パラメータ ( 続き ) 低 β y 直線部 L. m β x m β center y.43 m.43 m η x 長直線部 L.5 m β x 8.9 m β center y 6.5 m.39 m η x BM L.6 m B T B' T/m QF L.8 m B' +.56 T/m QD L.8 m B' T/m
7 ユニットセルの電磁石配置 L[m] B'/[Bρ] [m - ] B' [T/m] ρ [m] B [T].5.8 QF SF.6.8 QD SD.6.6 BM SD.6.8 QD SF.6.8 QF セル長 : 4.8m 7
8 長直線セルの電磁石配置 L[m] B'/[Bρ] [m - ] B' [T/m] ρ [m] B [T].5.8 QL SF.6.8 QL SD.6.6 BM SD.6.8 QL SF.6.8 QL セル長 : 4.83 m 8
9 六極の強さ ( 典型値 ) リング全体のクロマティシティが (ξ x, ξ y ) = (+,+) となるように SF, SD を励磁 ハーモニック 6 極は設置していない ファミリーのみ リング全周で 6 極の励磁パターンを最適化すれば より広いダイナミックアパーチャーが得られる可能性もあるが 検討はしていない SF L[m]. B"L/[Bρ][m -3 ] B" /[Bρ][m -3 ] B" [T/m ] SD L[m]. B"L/[Bρ][m -3 ] B" /[Bρ][m -3 ] B" [T/m ] Combined Bending Magnet 必要な磁場勾配 (QD 成分 ) を発生させるための磁極断面形状を計算ポール間ギャップは 8mm E =.5 GeV r B = T n x y = r y n B = T/m Bρ = 5.35 Tm B /(Bρ) = m - n = r db y B dx r =.3369 m n = y = 4. mm を仮定 ( あいちSRの超伝導 BMと同じ ) y[mm] beam x[mm] 8
10 ダイナミックアパーチャー エラー無しリングのダイナミックアパーチャーを計算 ( 入射直線部中心 ) 右側の図は y= として計算した水平方向位相空間 ( ポアンカレマップ ) y [mm] Dynamic Aperture for Ring w/o Error β x = 8.9 m, β y = 6.5 m, η x =.3 m p/p =. turns SX: B"L/[Bρ] SF = SD = x [mm] x'[mrad] x[mm]
11 振幅依存チューンシフト エラー無しリングでの β x = 8.9 m, β y = 6.5 m, η x =.3 m ν β x = 8.9 m, β y = 6.5 m, η x =.3 m SX: B"L/[Bρ] SF = SD = ν x ν x ν y ν x ν y ν y.6.5 SX: B"L/[Bρ] SF = SD = x [mm] y [mm] ν y
12 クロマティシティ エラー無しリングでの ベータトロンチューンのエネルギー依存性 すなわち ( 非線形 ) クロマティシティを計算した結果を下図に示す チューンの設定値を妥当な値にすれば エラーを考慮しても +5% 程度の Momentum Acceptance は期待できると思われる ただし セル数を増やすほど クロマティシティの 次の項が大きくなり ( 特に垂直方向 ) 不利な方向に動く.9 SX: B"L/[Bρ] SF = SD = ν x ν x ν y ν y p/p.5
13 ビーム寿命の見積り () Touschek ビーム寿命と量子ビーム寿命 (IBS 効果は考慮していない ) 仮定したパラメータ τ Touschek = δ m は momentum acceptance で 場所によらず一定とした バンチ長は zero-current limit の値を用いた Intra-Beam Scattering の効果は無視 τ quantum = τ s Nr c 8πσ x σ y σ s γ δ m 3 D(ξ) 蓄積電流 : 3 ma Full-Filling バンチ電流 =3 ma/(harmonic Number) x-y カップリング :.5 % Momentum Acceptance : ±5 % e X X X E σ δ E max Lifetime [hr] Quantum Lifetime Energy :.5GeV Emittance : 3.9nmrad Coupling :.5% Beam Cur. : 3mA in Bunches Bunch Cur.: 3.mA Mom. Acc. : % Rad. Loss : 335.keV/turn (BM only) w/o Intra-Beam Scattering Effects Lifetime [hr] Energy :.5GeV Emittance : 3.9nmrad Coupling :.5% Beam Cur. : 3mA in Bunches Bunch Cur.: 3.mA Mom. Acc. : % Rad. Loss : 335.keV/turn (BM only) w/o Intra-Beam Scattering Effects Touschek Lifetime Touschek Lifetime Total Lifetime RF Voltage V rf [MV] RF Voltage V rf [MV] 3
14 () ガス散乱寿命 Möller 散乱 τ = cn M Σ i Z i σ M σ M = Max πr e γ Rutherford 散乱 τ = cn R Σ i σ R σ R = 4πZ i r e γ θ c 制動放射 τ = cn B Σ i σ B σ B = 4αr e Z i (Z i + ) p, 4πr e γ p c θ c 4 3 ln 5 p 6 p c ln 83 Z 3 i Lifetime [hr] 3 Gas Scattering Beam Lifetime mm Vert. Aper. at BM chamber (H :CO = 8%:%).5mm Vert. Aper. at ID gap (H :CO=8%:%).5mm Vert. Aper. at ID gap (H :CO=9%:%) Pressure [Pa] ( 赤線 )ID ギャップ開の場合 : β y =3.5 m の BM チェンバ ( 垂直アパーチャー :± mm) ( 青線 )ID ギャップ.5 mm の場合 :ID 端部の β y =.747 m ( 緑線 )ID ギャップ.5 mm (H : CO = 9% : %) ττ GG = ττ MM + ττ RR + ττ BB -7 Pa 以下でガス散乱寿命は 時間以上 H : CO = 8 % : % を仮定 Rutherford 散乱の寄与が大きい Touschek と合わせて 3 時間程度の寿命は確保できそうである cf. ID ギャップ.5mm は BM チェンバ ±4. mm と等価 3
15 アンジュレータスペクトル Brilliance (phs/s/mm /mrad /.%bw) Brilliance of Very Short Period Undulators on the Model Storage Ring λu=6mm, gap=.5mm (B=466G), L=7mm gap=mm (B=363G), L=7mm λu=4mm, gap=.5mm (B=395G), L=7mm gap=mm (B=65G), L=7mm λu=mm, gap=.5mm (B=985G), L=7mm Ring Parameters E=.5GeV I=3mA ε=3.9nm.rad κ=.5%coupling σ E/E=.8-3 β x=8.478m β y=.43m ηx=.43m 5,, 5,, Energy (ev) 周期長 6mm : gap=.5mm(b=466g), gap=mm(b=363g) 周期長 4mm : gap=.5mm(b=395g), gap=mm(b=65g) 周期長 mm : gap=.5mm(b=985g) 4
16 まとめ () 開発を進めてきた狭ギャップ極短周期アンジュレータが蓄積リング光源として十分な性能を持っていること そして蓄積リングと共存できる事を示す事が出来た () L=.7 の極短周期アンジュレータ 台が設置できる周長 6m の蓄積リングのラティス設計を行った (3) エミッタンスは 35.7 nm.rad を得る事が出来た (4) ダイナミックアパーチャーは十分である (5) ビーム寿命の評価を行い ギャップ.5 mm でも問題がないことを確認した (6) アンジュレータスペクトルは期待通りであると考えている (7) チューンの調整が必要 垂直チューンは少し上げた方が良いと考えている 振幅依存チューンの動き (ν y vs. ξ) から ξ が増えていくと ν y が半整数を横切ってしまう 今のままでは エラーを入れた時にダイナミックアパーチャーが縮むと考えられる 今後の展望 直線部の長さと ID 長および最小ギャップの最適化 IBS 効果の影響評価を行う 狭ギャップ ID が入った場合のビームロスの詳細な評価 どこでロスさせるか 詳細な検討が不足している箇所があるので 更に検討と最適化を進める 謝辞 ラティスの計算は高輝度光科学研究センターの早乙女氏が行った 本研究は JSPS 科研費 の助成を受けたものである 6
X線散乱と放射光科学
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