刊登日期: 2023年7月14日更新
通过线性加速器加速到3GeV的电子入射到最新设计的圆形加速器，成功实现了持续旋转的“电子蓄积”，观测了电子束监视器用的放射光
本成果是运用了以头发粗细的一半左右(0.05mm )的高精度设置周长349m的约400台精密电磁铁的技术等最新技术实现的
今后，计划为增强蓄积电流进行各种调整运转，为开始运用世界最高水平的放射光设施继续进行高亮度电子束调整
国立研究开发法人量子科学技术研究开发机构(理事长:小安重夫，以下简称“QST”)通过官民地区伙伴关系1 )，以向产学广泛的研究者共享为目的，推进了世界最高水平的辐射光2 )设施纳米平台3 )的建设和整备。 现在，3GeV (千兆电子伏)4)电子在纳米平台圆型加速器上的入射积累成功了。 令和5年5月29日开始将线性加速器生成的3GeV高密度电子束向圆型加速器输送，6月8日入射到圆型加速器上成功旋转了约300圈。 之后，在详细调整电子束入射轨道的同时，进行了积蓄用的新型加速腔的调整，6月16日，入射的3GeV电子成功地进行了绕圆型加速器运转的电子积蓄，也观测到了电子束监视器用的放射光。 在国内首次采用最新的圆形加速器设计MBA5) ( Multi-bend achromat )晶格，在大幅缩短周长、降低建设成本的同时，实现了作为高亮度性能指标的电子束发射器6 ) 1.1nmrad。 根据周密的设计开发制作总数约400台的精密电磁铁，在圆型轨道上以0.05mm以下的高精度7 )且高密度8 )设置的技术、电子积蓄用的新型加速空腔9 )和向圆型加速器精密入射电子束的技术、 通过集中高效地推进在沿圆型加速器轨道的112个地方以0.1mm的高精度高速测量电子束轨道的技术等的开发，提前1.5个月成功实现了3GeV电子蓄积，为增强用户运行的蓄积电流确保了充分的时间做出了贡献。 3GeV电子在纳米平台圆型加速器上的成功积累是向实现目标高亮度辐射光源性能迈出的一大步。 今后，在进行用于增加积蓄电流的真空出炉运转的同时，推进用于更稳定地进行电子积蓄的详细调整，推进从插入光源首次产生放射光x射线的第一光束，进而面向令和6年度的开始运用的加速器系统的升级。
以接近光速的速度行驶的电子被磁铁等弯曲其轨道时产生的亮度非常高的“放射光”x射线利用在20世纪90年代正式开始。 以弄清物质结构等为目的，以使用8GeV电子加速器的SPring-8为首，美国的APS(7GeV )、欧洲的ESRF(6GeV )等大型放射光设施10 )相继建成，主要提供硬x射线波长区域的放射光，在多种科学领域为许多研究成果的创造做出了贡献 2000年代以后，英国、西班牙、台湾等世界各地建设并推进了大量使用3GeV级电子加速器的中型辐射光源。 从基础科学到产业利用，需要在软x射线11 )上进行观察的对象不断增加，以日本在该领域处于领先地位为目标，决定在官民地区伙伴关系中推进在软x射线方面具有优势的世界最高水平的3GeV高亮度放射光设施纳米平台的建设。 纳米平台将物质和生命的功能在纳米级上可视化，作为为促进学术及产业界的研究开发假说验证周期做出贡献的“巨大显微镜”备受期待。
放射光设施由向电子提供加速能量的线性加速器、蓄积加速后的电子束的同时作为放射光源的圆形加速器、以及作为放射光实验场所的束线构成(参照图1 )。 QST新一代辐射光设施整备开发中心从2019年度开始在宫城县仙台市进行整备的纳米平台加速器，以使用了SPring-8的1/4左右周长349m的圆形加速器的小型设施为特征，作为光源性能，我们的目标是在软x射线领域实现超过现有国内设施约2位数的世界一流的高放射光亮度(单位面积、立体角、每小时的光子数)性能和高光源稳定性。 3GeV电子在纳米平台圆形加速器中蓄积后，每秒钟旋转约86万圈产生放射光，但仅向圆形加速器入射3GeV电子是不会蓄积的。 这是因为，由于放射光产生的能量损失，轨道逐渐向内偏移，最终消失。 为了弥补这种能量损失，在轨道上设置以高频产生正负交替电场的储存环用加速腔，在适当的时机入射，3GeV入射电子的能量基本保持一定，可以维持持续旋转的电子储存状态。 QST新一代辐射光设施整备开发中心，作为高性能、高稳定的3GeV圆型加速器的设计、制作、安装后的第一个大步骤，以电子积蓄为目标进行了调整。
QST新一代辐射光设施整备开发中心加速器小组在纳米平台圆形加速器的研究开发中，不仅考虑到高性能、高稳定性，还考虑到了建设、运转、维持费的低成本化，进行了设计和讨论。 图2、3所示的纳米平台圆型加速器具有3个主装置:➀从线性加速器向圆型加速器的电子束入射部、➁将电子束封闭在圆型加速器的理想轨道周围、决定其高亮度性能的MBA磁铁列(图4 )、➂将电子束能量维持在3GeV以实现电子蓄积的加速腔(图5 )和蓄积电子的放射光监视部构成。将3GeV高密度电子束从最上游的线性加速器通过光束输送路径稳定地引导到入射部是极其重要的，为此进行了调整。 那么根据入射电子束的到达时间施加脉冲磁场，将入射光束导向圆形加速器。 纳米平台的圆型理想轨道由64台偏转磁铁12 )形成，电子束通过160台四极磁铁13 )封闭在圆型理想轨道的周围进行旋转。 为了实现稳定的环绕，磁铁列由16次高对称性的单元构成。 1个单元由4台偏转磁铁和10台四极磁铁组成的MBA磁铁列。 与以往的1个单元由2台偏转磁铁构成的DBA(Double-bend achromat )型相比，其特点是可以实现高亮度电子束。 为了在DBA型中获得同样的高亮度性能，需要周长大幅增长的圆形加速器，因此也大幅降低了装置建筑物的建设、维护成本。 各单元具有5.4m的长直线部，在16条长直线部中最大限度的14条(作为束线，短直线部共计28条)上设置了模拟器14 )放射光源，为实验用户提供。 在电子束入射部和积蓄用的加速腔中使用加速器用必须的2根。 为了在一条长直线部设置加速空腔，在世界上率先引进了在电子束前进方向上紧凑的新型TM020模式加速空腔(频率508MHz )。 这次的积蓄试验，也是利用本加速空腔的实电子束进行的首次动作试验。 圆形加速器内电子束的轨道信息通过分配在每单元7个地方(全周112个地方)的波束位置监视器每周进行测量。 电子束约0.001毫秒绕一周的时间，需要以0.1mm的精度测量其位置，因此引入了高速、高精度的最新波束位置监视器。 3GeV电子的入射试验最初在加速空腔未施加电场的状态下进行，通过电子束位置监视器成功地观测到了电子束旋转约300圈。 接着，向加速空腔施加电场，将入射3GeV电子束相对于加速空腔电场相位的时间向波束位置监视器的电子束环绕次数增加的方向调整后，成功实现了持续环绕的3GeV电子累积。 再加上，从电子束监视器用的3极维格勒15 )观测到了放射光。
在圆形加速器的磁铁列单元中引入了最新的MBA晶格(加速器中磁铁组件的排列)。 电子束在偏转磁铁内产生空间扩展。 这种扩散和光的棱镜分散一样，是由光束轨道上各个电子的能量差异产生的，是辐射光亮度降低的主要原因。 该棱镜色散引起的电子束的空间扩展取决于偏转磁铁内各个电子随机产生的辐射光引起的能量损失和棱镜色散的大小。 因此，决定通过MBA抑制电子束的空间扩散。 MBA具有通过细分偏转磁铁和组合四极磁铁的会聚透镜功能，将偏转磁铁内的棱镜色散最小化的结构。 由于引进了该技术，纳米平台圆型加速器可以通过缩短周长实现小型化，同时实现世界最高级别的高亮度辐射光产生。 纳米平台MBA由4台偏转磁铁、10台四极磁铁、10台六极磁铁16 )构成。 为了将电子束限制在圆型理想轨道周围的狭窄空间中，需要将四极六极磁铁的磁场梯度提高到传统DBA的两倍以上。 结果，电子束通过的容器的空间尺寸为横宽30mm、纵宽16mm，长宽均为以往的一半以下，需要精密的设备设置、调整技术。 纳米平台采用了以0.05mm以下的高精度精密设置磁铁的技术，使电子束轨道接近了理想状态。 结果，入射到圆形加速器的3GeV电子束从一开始就绕了约300圈。 无需轨道微调用修正磁铁，电子就能通过约100km的距离，表明磁铁的设置精度极高。
电子绕圆型加速器运行时，在偏转磁铁内产生放射光并损失能量，轨道向内逐渐移动，与真空容器内的壁碰撞而损失。 在不对加速空腔施加高频电场的电子绕转试验中，用电子束位置监视器观测了这一情况，发现绕转约300圈后电子束会丢失(图6左上)。 接着，作为对加速空腔施加高频电场的积累试验，在改变空腔相位时机的同时射入了电子束。 时机开始一致时，循环数逐渐延长，成为在某个时机范围内电子能量和轨道维持一定的蓄积状态，电子束位置监视器的信号变得连续(图6左下)。 在蓄积状态下，也确认了作为电子束性能监测使用的三极维格勒的放射光(图6右)。 另外，还观测到圆形加速器电子束用容器的真空度在整周上增加了2位数左右。 暗示了蓄积电子在圆型加速器的所有偏转磁铁中产生放射光，从放射光吸收器17 )等金属中放出放射光刺激脱离气体。
※本技术开发是在国立研究开发法人理化学研究所及公益财团法人高亮度光科学研究中心( JASRI )的协助下实施的。
圆形加速器现在储存的电子数是数亿个，但最终目标是数千倍的数万亿个。 但是，电子数的增大需要按照步骤慢慢进行，需要时间。 增加蓄积电子数的话，放射光强度也会增大。 纳米平台使用设置在直线部的模拟器等作为放射光源，偏转磁铁产生的放射光全部由圆型加速器真空容器内的放射光吸收器吸收。 吸附在缓冲器内的气体会因辐射光刺激而脱离，真空度会与蓄积电子数目的增大成比例地恶化。 不久，缓冲器内的气体枯竭，真空恶化得到缓和后，就可以增加存储电子数。 重复这个真空焙烧过程，逐渐增加到目标积累电子数。 此外，还将进行详细的电子束轨道调整、性能确认、作为x射线光源的调节器的调整，为令和6年度的开始运用做准备。
1 )官民区域伙伴关系 由以国家主体国立研究开发法人量子科学技术研究开发机构( QST )和一般财团法人光科学创新中心( PhoSIC )为代表机构的宫城县、仙台市、国立大学法人东北大学、一般社团法人东北经济联合会组成的地区伙伴构成，在包括费用负担在内的职责分工下进行整备 作为国家主体的QST负责加速器和3条共用波束线的建设，地区合作伙伴负责建设用地、基本建筑物以及7条核心波束线的建设。 2 )辐射光 放射光是将能量加速到接近光速的电子束用磁铁弯曲时向行进方向放射的电磁波，具有高亮度、指向性高、可以自由改变偏振光特性等优良特征。 3 )辐射光设施纳米平台 正式名称为3GeV高亮度辐射光设施。 NanoTerasu是爱称。 4 ) GeV (千兆电子伏) 电子束能量的单位。 10亿伏电压产生的电子加速能量。 5 )多绑定机制( MBA ) 磁铁列单位。 在光学中意味着消色差的achromat意味着在磁铁列的出入口不会出现能量不同导致的电子束轨道不同的状态。 磁铁列中包含偏转磁铁( bend )时，在磁铁列内部变为非achromat。 以前，使用2台偏转磁铁的DBA(Double-bend achromat )是主流，但近年来计划建设很多使用4台以上MBA的辐射光设施。 6 )发射 是将电子束的截面积和扩展相乘后的值，是表示电子束性质的指标之一。 发射大的话，整体上可以说是容易扩散的电子束，小的话可以说是尖锐、优质的电子束。 7 )磁铁的高精度安装技术 对于设置在同一台架上的四极磁铁、六极磁铁，使用称为振动引线法的技术，以比0.05mm更好的精度测量磁铁中心，将其设置成一列。 对于偏转磁铁和不同台架上的磁铁列，使用激光跟踪器以0.05mm左右的精度测量相对位置进行设置。 8 )磁铁的高密度设置 在NanoTerasu中，除了插入光源用直线部外，沿着圆形加速器轨道的磁铁占有率达到70%。 要实现MBA，这种磁铁的高密度设置是必不可少的。 9 )新型加速空身( TM020加速空身) 通常使用在波束前进方向上具有加速电场，加速空腔内没有电磁场节的模式空腔。 模式加速谐振腔也沿波束前进轴产生加速电场，但在该轴的矢径方向上具有磁场节点。 利用这一点衰减引起波束不稳定性的高阶模的新型谐振腔。 10 ) SPring-8、APS、ESRF SPring-8 :在兵库县播磨地区，从1997年开始作为共用设施运转的大型放射光设施。 由国立研究开发法人理化学研究所、公益财团法人高亮度放射光研究中心运用。 高级摄影源( APS ) :美国阿贡的放射光设施。 欧洲同步辐射工厂( esrf ) :法国格勒诺布尔的辐射设施。 11 )软x线、硬x线 波长1 pm至10 nm的x射线中，短于0.2 nm的称为硬x射线，长的称为软x射线。 12 )偏转磁铁 两台磁极相对的磁铁。 电子束通过内部时，按照洛伦兹力(左手定律)进行偏转。 假设纳米平台圆形加速器的电子束轨道面为时钟3点和9点决定的面，则12点配置s极，6点配置n极，从上面看电子束逆时针旋转。 13 )四极磁铁 4台磁极从1.5点的位置顺时针每90度NS交替设置的磁铁。 当电子束通过内部时，电子束随着洛伦兹力会聚乃至发散。 作为圆形加速器整体，水平面、垂直面都起到了收敛的作用。 在该收束力的作用下，电子束在沿着理想轨道面产生微小振动的同时被限制。 14 )安捷伦 将小型偏转磁铁的极性交替反转，排列多个的磁铁列称为衰减器，可以生成具有由磁铁列间隔和电子能量决定的单色波长的放射光。 15 )三极维格勒 将小型偏转磁铁在直线上排列3列的装置产生的放射光用作电子束监视器。 中心磁铁的方向与两端相反。 通过参数调整，可以设定为维格勒装置通过前后的电子束轨道不发生变化，也可以调整磁场强度，产生硬x射线。 16 )六极磁铁 6台磁极从12点钟位置顺时针每60度NS交替设置的磁铁。 补偿由四极磁铁产生的能量引起的像差的磁铁。 17 )辐射光缓冲器 缓冲器，吸收被偏转磁铁弯曲时电子产生的放射光。 材质使用铜等，为了去除热量进行水冷。
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