Development of an innovative bunch-lengthening technique for achieving ultra-low emittance beams in the next-generation synchrotron light sources
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20H04459
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 80040:Quantum beam science-related
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
坂中 章悟 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 教授 (20178560)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山本 尚人 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 准教授 (60377918)
内藤 大地 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 助教 (30788237)
山口 孝明 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 博士研究員 (00981060)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2021: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000)
Fiscal Year 2020: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
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| Keywords | 次世代放射光源 / 高周波加速 / バンチ伸長 / 高調波空洞 / 過渡的電圧変動 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、超高輝度の放射光を発生する次世代放射光源において、電子ビームの大きさ（正確にはエミッタンス）をより小さくできる新手法を開発する。次世代放射光源では、ビーム内での電子同士の散乱によりビームエミッタンスが増大するという問題点があるが、電子の集団（バンチ）を進行方向に伸ばすことで問題を緩和できる。本研究では、従来のバンチ伸長法の弱点である「過渡的ビーム負荷による高周波電圧の変動」を克服するため、新たな高調波空洞の設計研究を行い、加えて過渡的電圧変動を補償できる新手法の開発を行う。これらにより、次世代放射光源で理想的に電子バンチを伸長できる技術が実用化されると期待される。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、1) 従来とは異なるTM020共振モードを用いた高調波空洞の設計研究、2) 過渡的電圧変動のアクティブ補償技術の開発、を行っている。令和4年度の研究実績は以下の通りである。
1) TM020モード高調波空洞の設計研究： 前年度までにTM020型高調波空洞の電磁場設計を確立した。令和4年度は、3次元CADソフトウェアを用いて大電力を投入できる空洞実機の機械構造設計を行った。続いて、ソフトウェアANSYSを用いて熱構造解析を行った。その結果、設計した空洞は大電力の熱負荷に十分耐える構造である事が示され、新型高調波空洞の電気設計、機械設計ともに当初の目標を達成した。これらの成果を論文にまとめ、査読付き学術誌に投稿した。また、高次モード減衰のための電波吸収材料として使用予定であったフェライトが近年入手困難になって来ており、代替材料の探索を行った。まず3種類のフェライトの粉末原材料を入手して焼結し、できたフェライト試料の複素透磁率・誘電率を測定した。測定した3試料は、一定の電波吸収特性を示したものの、本高調波空洞で使用するには吸収特性がやや不十分である事が判明した。新奇な電波吸収材料の探索は、令和5年度に継続する予定である。
2) 過渡的電圧変動のアクティブ補償技術の開発：前年度に製作したバンチ同期位相モニターをKEKのPF 2.5GeVリングにおいて試験し、バンチギャップがある場合に発生するバンチ同期位相のずれを測定できることを実証した。また、アクティブ補償を可能とするローレベルRF制御系の実機を科研費以外の予算で製作した。さらに、前年度に製作した過渡的電圧変動を補償するために使用できる1.5 GHz補償空洞のモデル空洞に関する低電力測定を行い、設計通り良好な特性を得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究の現在までの進捗状況は以下の通りである。
1) TM020モード高調波空洞の設計研究： 共振周波数1.5 GHzで1空洞当たり約170 kVの高調波電圧を発生でき、かつ高次モード共振によるビーム不安定性を起こさない空洞共振器の設計研究を進めている。この空洞では、加速に用いるTM020モードのQ値を損なうことなく、それ以外の寄生モードを十分に減衰させることが必要である。本研究では、電磁場シミュレーションにより空洞形状を徹底的に最適化することにより、上記の目標を達成する空洞共振器の電気的設計を確立した。設計に用いたシミュレーションが正しいことは、モデル空洞の高周波測定により検証した。続いて大電力空洞実機の機械設計を行い、熱構造解析により大電力投入に十分耐える構造であることを確認した。以上により、新型の高調波空洞の設計を確立した。
2) 過渡的電圧変動のアクティブ補償技術の開発：バンチの同期位相を検出し、その情報をもとに最適化したフィードフォワード・パターンを出力する事により過渡的電圧変動を補償できる同期位相モニター系およびローレベル制御系を開発中である。高速ダイレクト・サンプリング法を用いたバンチ同期位相モニターのハードウェアおよびソフトウェアを製作し、PFリングのビーム試験によりその機能を実証した。また、科研費以外の予算により、電圧補償機能を有するデジタルローレベル系の製作を行った。さらに、電圧補償に使用できる広帯域補償空洞の基本設計も行い、その高周波測定をモデル空洞を用いた高周波測定により実証した。
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| Strategy for Future Research Activity |
1) TM020モード高調波空洞の設計研究：前年度までの研究により、新型高調波空洞の本体の設計が完成した。令和5年度にはこれらの研究成果を査読付き論文で出版し、国際会議において成果発表を行う。残された細部の課題として、高次モード吸収体モジュールの真空封止部分の試験が残されており、試験用のメタルシール部品を入手し、真空封止試験を行う。大電力空洞実機の製作は、2024年度以降に、科研費以外の経費で行えるよう予算要望してゆく。また、高次モード減衰のための電波吸収材料として使用予定であったフェライトが近年入手困難になって来ており、代替材料の探索を行う。令和4年度に引き続き、候補となるフェライトまたは他の材料の試料を入手し、その高周波測定を測定し、より良い電波吸収材料を見つける。新たな材料の目処がつき次第、その材料と金属との接合技術のR&Dを行う。
2) 過渡的電圧変動のアクティブ補償技術の開発：令和5年度には、前年度に製作したアクティブ補償ローレベル系中核部（デジタル制御部）をPFリングに組み込み、通常運転に使用できるよう立ち上げる。その上で、このデジタル制御部をバンチ同期位相モニターと組み合わせ、PFリングでアクティブ電圧補償の試験を行う。また、電圧補償専用の空洞の開発研究も、他の科研費課題と共同で進める予定である。
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Report
(3 results)
Research Products
(17 results)
