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。