erl project office, kek photon factory, imss, kek
TRANSCRIPT
ERL計画の展望河田 洋
ERL Project Office, KEK
Photon Factory, IMSS, KEK
機構シンポジウム 2011年2月28日
cERL 5GeV-ERL + XFEL-O
まとめ今後の目指すべき方向
より局所的、より瞬間的な電子構造を捉えること
x nmt f sec
次世代放射光源：ERL:輝度の向上と空間コヒーレンス：短パルス化と時間コヒーレンス
x
t
J-PARC/MLF高度化高分解能中性子回折超低速ミュオン中性子非弾性散乱
xt
機構シンポジウム 2011/2/28 村上氏スライドより
ERL計画概要
#) Linac based light source:
1) Emittance ∝～10pmrad ~λ/4π
2) Short photon pulses~ 0.1~1 pico-second
#) A great numbers of ID-beamlines
#) Possibility to realize the XFEL-O
輝度の向上、空間コヒーレンス
短パルス化
時間コヒーレンス
KJK KEK Dec 21, 2009
4
Hard X-Ray FEL Oscillator (XFEL-O)
• Store an X-ray pulse in a Bragg cavity multi-pass gain & spectral cleaning
• Provide meV bandwidth
• MHz pulse repetition rate high average brightness
(1015 Photons/sec, 109 photons/pulse @ ~10keV with a few meV b.w.)
• Zig-zag path cavity for wavelength tuning
• Single mode X-ray laser (time and space domains)
Originally proposed in 1984 by Collela and Luccio and resurrected in 2008 (KJK, S. Reiche, Y. Shvyd’ko, PRL 100, 244802 (2008) 4
By Kwang-Je Kim
average
brilliance
peak
brilliance
repetition
rate (Hz)
coherent
fraction
(vertical)
coherent
fraction
(longitudinal)
bunch
Width
(ps)
# of
BLsRemark
ERL ~1023 ~1026 1.3G ~20% non 0.1~1 ~30Non-perturbed
measurement
XFEL-
O~1027 ~1033 ~1M 100% 100% 1 ~1
Single mode
FEL (few
meV)
SASE-
FEL~1022~24 ~1033 50~10K 100% few % 0.05 ~1
One-shot
measurement
3rd-SR ~1020~21 ~1022 ~500M 0.1% non 10~100 ~30Non-perturbed
measurement
(brilliance : photons/mm2/mrad2/0.1%/s @ 10 keV)
SASE-FEL ERLXFEL-O
Comparison of ERL, SASE-FEL and XFEL-O
K.-J. Kim, Y. Shvyd’ko, S. Reiche,
PRL. 100, 244802 (2008).
Undurator spectra from ERL and 3rd generation SR sources
E=5GeV I=100mA
bx=by=5m
K=1.0
sE/E=4e-5
L=5m lu=16mm
e=10 pmrad
e=100 pmrad
e=1 nmrad
1st1st 3rd 5th
XFEL-O
R. Hettel, “Performance Metrics of Future Light 13 Sources”, FLS2010,
SLAC, March 1, 2010.
ERL
XFEL-O
ERLの加速器要素技術のR&D項目
高輝度DC電子銃: 500 kV, 10-100 mA
Normalized emittance: 0.1 - 1 mm·mrad
フォトカソード励起レーザー: High average power: 15 W CW
Repetition: 1.3 GHz, l ~ 800 nm
入射部超伝導空洞 High input power: 170 kW/coupler
Medium gradient: 15 MV/m
High beam currents: 100 mA (CW)
主加速部超伝導空洞 Medium gradient: 15-20 MV/m (CW)
High average current: 200 mA
Higher-order-mode damping
Main Linac
Injector
Return Loop
Energy Recovery Linac
大出力RF源 1.3 GHz, 300 kW (CW) for injector
Final Feature of compact ERL
Compact ERL at the end of FY2012
2012: The compact ERL will start the operation under the 35MeV, 10mAThe compact ERL will demonstrate the ERL accelerator technologies but also the experimental possibilities based on CSR of THz radiation and laser inversed Compton X-ray source.Continuous upgrading: 2014: 65MeV, 10mA
2016: two-loop operation (125MeV, 10mA)さらに前倒しに向けて努力中！
ヘリウム冷凍設備
高周波源設備
ヘリウム冷凍設備
• 2010年8月に茨城県の完成検査の合格• コールドボックス内配管の内面を洗浄• 2011年1月にヘリウム液化に成功！
高周波源（300kWクライストロン）冷却水設備
RF源
• ３００KWクライストロン用高圧電源の立ち上げ･調整完了• 2系統の入力カプラー用テストスタンドを構築・テスト開始
高輝度電子銃の開発と立ち上げ
500kV, 10mA Gun #1 (JAEA) 500kV, 10mA Gun #2 (KEK)
0
100
200
300
400
500
600
0
50
100
150
200
250
300
ap
plie
d V
oltage
[-k
V]
curre
nt [
A]
500kV安定印加に成功 放射光源見向けて長寿命化と安定供給• 極高真空（10-10 Pa)実現
１）チタンチェンバーの導入2）ベーカブル･クライオポンプ導入
• マルチフォトカソードシステム化
入射部超伝導空洞
Input coupler
(double feed)
Cavity : 3 x 2-cell cavities
Slide-Jack tuner and piezo tuner
4 or 5 coaxial HOM
couplers for one cavity
e-
Vacuum vessel
要素技術開発を進めながらモジュール作成開始
主加速部超伝導空洞
HOM damper・Handle 150W HOM power・Operation at 80 K・HIP ferrite of new-type IB004・Comb-type RF bridge・Making proto-type
Input coupler・ 20kW CW (total reflection)・ Cold and warm window・ HA997 ceramic is used・ High power tests are in progress
要素技術開発を進めながらモジュール作成開始
2011年2月23日、ERL推進委員会、芳賀氏資料
Construction Plan of the Compact ERL
Fiscal Year 2007 2008 2009 2010 2011 2012
Building/Infrastructure
Gun & Drive laser(including low-energy BT)
Superconducting Cavities
RF Sources
Liquid-He Refrigerator
Recirculation loop(Magnets & Vacuum)
Beam instrumentation/Control
Building & Infrastructure
Design/prototype Production Installation Test
Radiation shielding etc.
Beam test
(AR south)
Injector cavities Installation/horizontal test
Main-linac cavities
High-level RF
Low-level RF
Beam test
(East Counter Hall)
cERL
Operation
Magnets/PSs
Lattice
design
Vacuum etc.
Installation/horizontal test
cERLの建設状況
• 2012年度末にビーム試験開始を目指して建設を進めている。
• ｃERL利用研究１）コンパクトERLによる量子ビームサイエンスの展望 （6研究班）○テラヘルツ分光を用いた物性物理開拓研究○コヒーレントテラヘルツ波を用いたイメージング○レーザー逆コンプトン散乱X線によるX線位相イメージング○レーザー逆コンプトン散乱X線イメージング：医療用微小血管造影法の開発○フェムト秒X線ダイナミクス○光源基礎技術開発
（現在新学術領域研究に申請中）２）レーザーコンプトン散乱γ線利用核共鳴蛍光非破壊測定実証試験 -核セキュリティーに対する日本の国際貢献 -（JAEAから予算化）
2011年2月23日、ERL推進委員会、羽島氏資料
cERL, ERL: target timelines
2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015
cERL
construction
R&D of ERL key elements
Beam test and test experiments
Improvements towards 5GeV class ERL
References:
KEK roadmap, March 2008
Design of compact ERL, Hajima et al., pp. 160-161.
Prep of East
Counter Hall
Construction
of 5GeV
class ERL
2012年度以降5GeV・ERL実現に向けて
ERL Project Office
Super conductive linac: CW 100mA
LC Project Office
Super conductive linac: Pulse
KEK
Advanced Synchrotron Radiation
Facility based on Super conductive
Technologies after Super-KEK-B constructionERL, XFEL-O and LC-R&D??
?
ERLとLCの合同加速器の可能性検討の推移（１）
• 7月のLC推進委員会で機構長が2012年度以降のLCプロジェクト(STFとATF)の将来像の構築に言及。
• 高崎理事からSKEK-B以降の次期計画として、ERLとLCR&Dの一本化の可能性も含めて検討指示。
• 山口LC推進室長、河田ERL推進室長、小林主幹、若槻施設長で合同案のポイントを検討。
LC：高加速勾配超伝導加速器（１０GeV、３０MV/ｍ）のR&D
ERL：5GeV 100 mAの CW運転営業加速器
超伝導空洞の量産体制(企業育成）の確立
• 両者の相乗りできる案の模索を開始。
ERLとLCの合同加速器の可能性検討の推移(2)
・LC 技術検討会（11月8日）
「2012以降のSTFの活動計画 (その3)」の中で合同加速器に可能性に関して提案。（山口LC 推進室長）
・「ERLとLCの合同加速器の可能性を検討するタスクフォース」
キックオフミーティング 12月24日メンバー：山口、小林(幸) ，河田，古屋，早野，加古，仲井，道園
第2回：1月12日（足立メンバー加入）
第3回：2月1日（坂中メンバー加入）
第4回：2月24日
KEKキャンパス
25
(1.3GHz)
(~10Hz)
(~1MHz)
ERL
8.3
26
ERL空洞 333台
ERL用電子銃
LC用電子銃
SASE-FEL
1. 5 GeV ERL (100 mA, CW，15 MV/m)
2. 8.3 GeV<E FEL (10 mA, pulse，25 MV/m<E)
3. 10(=5x2) GeV XFEL-O
Dump
XFEL-O
超高輝度 / 極短パルス軟・硬X線ビームを利用
したサイエンスcERL
2010 2012 2014 2016 2018 2020
PF-AR
5GeV Class ERL
PF(1982 ～)
建設
(1988 ～)
KEK放射光ロードマップ
35MeV 65MeV 2ループ 125MeV
ERL技術の確立
硬X線・単パルス利用
更なる高度化：構造物性・構造生物・電子物性・材料科学・環境：エネルギー etc.
ILC
ILC-RD
ERL/ XFEL-O
ILC-RD
まとめ
KEKの持つ総合力により、放射光利用者が待望
している「より局所的、より瞬間的な電子構造を捉えること」ができるERLの建設が可能になり、また、LCR&Dと歩調を合わせることにより、さらに
高度化を進めることができる。これにより、世界の放射光分野をリードする。