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ogata@hiroshima-u.ac.jp
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第1巻 第1号 2001年1月***第2号 2001年2月***第3号 2001年3月***第4号 2001年4月***第5号 2001年5月***第6号 2001年6月***第7号 2001年7月 ***第8号 2001年8月 ***第9号 2001年9月 ***第10号 2001年10月***第11号 2001年11月***第12号 2001年12月***第2巻 第1号 2002年1月***第2号 2002年2月***第3号 2002年3月***第4号 2002年4月
ビーム物理研究会へのお誘い
会合
5/7
報告 24th Advanced ICFA Beam Dynamics Workshop on Future Light Sources
諏訪田 剛(KEK)5/18
プロシーディングス
ネットでお勉強
エトセトラ：ビデオ「元素誕生の謎にせまる」無料配布5/13
ビーム物理同好会は１９９６年に結成され、同好会として特に規則ももうけずに活動してきました。この間、ビーム物理の重要性はますます高まり、より正式な、顔の見える組織を結成する必要性が認識されるようになり、２００１年より、ビーム物理研究会と改名し、会則の整備等を行なってきました。
2002年の日本物理学会総会（立命館大学）から、「新領域」としてビーム物理の分科会も開催されました。今後、会員の確定、会員名簿の公開（所属、氏名）、総会の開催、等を行ないビーム物理の研究団体として活動していくつもりです． ビーム物理をさらに発展させ、分野としての成立を促進するため、関心ある方の参加をお待ちしております。
入会ご希望の方は，入会申込書を
こちらからダウンロードして，上記事務局に郵送して下さい．メール添付とフアックスはお断りします．
世話人2名の紹介が必要です．紹介がない場合は審査をさせていただきます．なお，ビーム物理研究会は当分、会費を徴集しません．
■5/31
Linear Collider R&D Opportunities Workshop. SLAC. http://www-conf.slac.stanford.edu/lcrd02/5/3
■6/3-7 EPAC La Villette-Paris．
■6/12-16 Workshop on Advanced Accelerator Concepts (AAC), Oxnard, CA (one hour north of LA), USA, mariag@ucla.edu
■6/23-28 14th International Conference on High-Power Particle Beams and 5th International Conference on Dense Z-Pinches Albuquerque, New Mexico, USA, http://www.sandia.gov/BeamsDZP
■7/1-6 4th NuFact'02 Workshop
Neutrino Factories based on Muon Storage Rings Imperial College, London.5/7
■8/7-9 リニアック技術研究会 京都テルサ．
■8/19-23 LINAC2002 Gyeongju (Kyongju), 韓国．
■9/2-6 The 26th Advanced ICFA Beam Dynamics Workshop on Nanometer-Size Colliding
Beams (NANOBEAM 2002).
Lausanne, Switzerland. http://www.cern.ch/nanobeam/Practical_info.htm
Mini-Workshop on Measurement of Beam Energy in Linear Colliders も同時に同じ場所で開催されます．
10/14-18 10th: Slow extraction, BNL
10/21-25 11th: Diagnostics, ORNL
4/2-4/2003 12th: Space charge simulations, RAL
■11/10-16 2002 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference Norfolk, Virginia, USA． http://www.nss-mic.org
■1/7-12/2003 The 28th Advanced ICFA Beam Dynamics Workshop on Quantum Aspects of Beam Physics,
Hiroshima.5/8
はじめに
2002年５月１日から４日までの４日間、SPring-8において標記ワークショップ（WS）が開催された。本WSはICFAが主催するWSの分科会の１つで、将来の放射光源のビーム力学に関するものである。1999年４月にArgonne研究所で開催されたWS（http://www.aps.anl.gov/conferences/FLSworkshop/）に引き続き第２回目である。WSは、国内外から総勢140名の参加があり、KEKからは、木原（前加速器施設長）、松下（物構研副所長）、諏訪田（加速器）、坂中、原田、梅森（物構研）の６名が参加した。テーマとしては、ビーム力学に限定することなく、各研究所で計画／進行中の光源加速器の進展、期待される高輝度光源で可能な利用実験等についても幅広い報告がなされた。特に、次世代で要求される高輝度Ｘ線源として最近注目を浴びているSASE-X/FEL及びERLが主なテーマである。ERLはここ１、２年で議論され始めた新しい光源加速器で、本WSで初めて登場したテーマである（ちなみに、ERLとは、Energy Recovery Linacの略で、超伝導線型加速器を基本とするエネルギー回収機能を有する帰還型の加速器をいう。ArgonneWSではこのテーマは無かった）。
本報告では、まずWSについての概要を述べた後、特に、SASE-X/FELとERL計画の報告を中心に、最近の進展を交えてまとめたい。なお、発表原稿の大半は、WSのウエブサイト
http://icfawsx.spring8.or.jp/main_new.html
からダウンロードできる予定なので参照していただきたい。なお、この原稿執筆時には、このウエブサイトは準備中ということで、以下の報告は、私のメモ及び印象に強く残っている報告のみに限りますのでご容赦下さい。
１．ワークショップの概要
４日間のWSのうち、第１、２日目は全体セッション、第３、４日目はワーキンググループ（WG）による討論とそのまとめが行われた。全体セッションは、K.-J.Kim氏/ANLによる前回のArgonneWSの総括から始まり、高ゲインFEL実験の現状、XFEL／ERL計画、FELの理論及びシミュレーション、アンジュレ-タ、低エミッタンス電子銃（入射部を含む）、利用実験等の報告がなされた。以下に各報告の概要を簡単にまとめる。
1.1 SASE-X/FEL
まず、SASE-X/FELに関しては、LCLS/SLAC(15GeV)、XFEL/TESLA(25GeV)、XFEL/BESSY(2.25GeV)、SCSS/SPring-8(1GeV)計画の現状報告があった。LCLSは、順調に準備を進めており、2005年１０月には本格的に始めるようだ。TESLAは、TTFを利用して技術開発を精力的に行っているが、リニアーコライダーと強くカップルしているため、本番の決断はまだ先になるらしい。BESSYは、ベルリンにある放射光研究所で、現在BESSY-IIが稼働している。彼らの計画は、２GeV程度の線型加速器を建設し、VUVから軟Ｘ線のSASE-X/FELを行うとのこと。SCSSは、理研の新竹氏を中心としたSPring-8で現在進行中の計画である。次世代の光源は、やはりSASE-X/FELで決まりという感じがした。
1.2 低エミッタンス電子銃
C.K.Sinclair氏/Cornellは、DCフォトカソードによる低エミッタンス電子銃の最近の進展について報告した。報告によると、カソードから得られる電流は、レーザーパワーと量子効率の積に比例し、もっとも効率よく電流を引きだすには、GaAsをNEA（負電子親和性）で使用するのが良いらしい。彼らは、ERLでこれを用いるつもりで、要求スペック（DC500kV, 100mA/CW1.3GHz, レーザパワー~10W, 規格化e=1mm）に対し、現状は、DC250kV, レーザーパワー~2W, 規格化e~1.4mm/100pCである。高電圧化、レーザーパワーの増強に課題があり簡単ではなさそうである。Togawa氏/SPring-8は、熱陰極DC500kVによる電子銃の開発状況を報告した。これは、新竹氏のアイデアによる電子銃で、とにかく、RFや光カソードといった今はやりのガンはダメで、やはり伝統のある熱陰極でやるべし、という考え方である。空間電荷によるエミッタンス劣化をふせぐための幾つかの新しい工夫（グリッド無し、カソード電極形状、単結晶カソード等々）が盛り込まれ、その成果が期待される。
1.3 コヒーレント放射シミュレーション
コヒーレント放射（CSR）は、バンチコンプレス部やアーク部を短いバンチが通過するときにエミッタンスを増大させるやっかいな効果である。その計算機シミュレーションコードが幾つかのグループで進められている。T.Limberg氏/DESYは、現状のシミュレーションコードの違いを比較し、その特徴を報告した。DESYでは、３次元のコード（第１原理から厳密に計算する）を開発しているが、計算機能力との兼ね合いで、業界の人たちは、まずは、１次元コードで粗くシミュレーションし、的を絞った後３次元コードで詳しく計算するというスタイルらしい。実験との比較は、現状では、ファクター程度の違いがあり、実験／計算双方の開発がまだ必要であるとのことである。M.Borland氏/ANLは、S2Eシミュレーションコードを紹介した。S2Eとは、start-to-endシミュレーションの略で、EgunやParmela等の既存コード及び独自コード（ウエーク場、CSR効果等のコード）を一体にしたもので、アンジュレータ部でのFELシミュレーションコードまでを含めて、計算機上で全てのビーム力学をシミュレートするいわゆる"仮想加速器"を模擬するコードである。残念ながら、今のところFELのみで、ERLにも欲しいところである。S.Krinsky氏/BNLは、バンチコンプレス部ではCSR効果により、いわゆる"Klystron-like amplifier"というメカニズムによりエミッタンスがより増大するという理論の報告を行った。この効果は、ビーム電流スペクトルに高次項が混ざっていると、それが、同周波数の空洞ウエーク場によりさらに増大し、エネルギー変調を受け、バンチコンプレス部で大きな密度変調となり、結果としてバンチ圧縮を困難にする、というものであるらしい。
1.4その他の報告
FELの理論及びシミュレーションに関しては、FEL Simulation（S.Reiche/UCLA）、高ゲインFELの最近の進展（Z.Huang/ANL）、高ゲイン高次光発生の理論的限界（E.Saldin/DESY）について報告があった。アンジュレータについては、T.Bizen氏/SPring-8の実験報告があり、幾つかの種類の磁石片に実際に電子ビームを照射し、磁場の低減を評価した報告である（真空挿入型アンジュレータではこの評価を行う必要があるらしい）。利用実験に関しては、XFELによるPump-probe実験では、Pump レーザーとProbeレーザーのタイミングを精度よく如何に同期させるか（ジッターの問題、XFELではfs領域のパルスになる）が問題となるらしく、測定系の手法確立もこれからの開発が必要とのこと。
２．ワーキンググループ
2.1 報告
3日目は、５つの分科に分れてワーキンググループ(WG)が開催された。以下に分科会のテーマと世話人名を記す。
(1)WGI Optics & Applications (T.Ishikawa/RIKEN, M.Yabashi/JASRI)
(2)WGIIa Linacs for FELs (J.Rossbach/DESY, T.Shintake/RIKEN)
(3)WGIIb ERLs (I.ben-Zvi/BNL, R.Hajima/JAERI)
(4)WGIII FELs (K.-J.Kim/ANL, T.Nakamura/JASRI)
(5)WGIV IDs & Others (P.Elleaume/ESRF, T.Hara/RIKEN)
表１：各研究所におけるERL計画のパラメータ一覧
図2：コーネル大学のFull-scale ERLの模式図。電子銃から出射した電子は、合流偏向磁石を通って主リニアックに入射され、Full scaleまで加速される。その後、電子はアーク部を通りアンジュレータ又は偏向磁石部で放射光を放出する。帰還した電子は、主リニアックの減速位相に乗るようにし、減速された後ビームダンプにダンプされる。減速時のビームパワーは、次の加速電子のRFパワーとなりエネルギーを回収する。
私は、WGIIb ERLsの分科会に出席したので、このWG報告のみまとめます。WGIIは、さらに分科a及びbに分れているが、加速器技術に共通するものが多いので、午後３時までは同じ分科会として報告がなされた。それ以降は、本来の分科会に分れて主に討論がなされERLの技術的／物理的問題点が洗い出された。合同分科会では、まず、各地のERL計画について報告がなされた。表１に現在計画中のERLをまとめる。ここで、BNL, Cornell, LBLはERLの御三家とでもいう計画（MARS/Budker もこれに入るが参加者はなかった）をもち、着実に加速器のデザインを進めている。特に、Cornellは、JLABと一体となってFEL用の試験周回加速器（IR DEMO FEL/JLAB）を利用してビーム開発を進めており、一歩抜きんでているようだ（図２）。その他、Univ.Erlangen/Germany, Daresbury/England, KEKが名乗りを上げ世界の仲間入りを認めてもらったという感じである。私は、KEKのERL計画についての報告を行ったが、試験加速器のビームパラメータを提言した（KEKでの検討は始まったばかり）。
図3：Erlangen-Nurnberg大学のERLの模式図。エネルギー回収は、同様に主リニアック部で行うが、放射光利用はリングで行う。この方式の特徴は、既存のリングを拡張することによりERLを実現できることである。
A.Magerl氏/Univ.Erlangen-Nurembergは、3.5GeVのリングを拡張してERLにする計画（図３）を報告した。現在検討されているERLには、大きく分けて２種類の方式がある。１つは、超伝導線型加速器から出射したビームを１回のみ帰還させるやり方（うるさく言うとこの方式も幾つかの型がある）、この方式では、帰還ループで放射光を利用する。２つ目は、超伝導線型加速器とリングを組合わせて、線型加速器からのビームをリングに入射し何回か周回させた後、取出してまた線型加速器に帰還させる方法である。この時の放射光利用はリングで行う。前者の方式では、輝度を上げるために、低エミッタンスビームをCWで出射する必要があり、リニアックの負担が大きくなる。一方、後者の方式は、リニアックのリングへの入射はパルスでよく、リニアックの負担が小さい。しかし、リングは、エミッタンスが増大する前（数１００ターン程度）にビームを取出す必要があり、キッカーの繰り返しが数１００Hzにもなり、その負担が大きい（現在こんな速いキッカーは存在しない）。KEKの計画は、前者の方式を検討していて、Erlangen大学の計画は、後者の方式を検討している。いずれの方式にしても技術的課題は盛りだくさんで、優劣を付けるには至っていない。
午後からは、２つの報告、峰原氏／原研によるERL入射部の新しい設計、新竹氏／理研によるCSRの計算機デモについて話題を提供した。峰原氏は、電子銃の高電圧をタンデム加速器用の高圧器（2MV）を利用し、その中にフォトカソードを仕込み、静電的に一気にビームを加速しようとするアイデアである。さらに、バンチャー加速管を主リニアックのラインに入れてしまい、入射部のRFパワーも回収しようとするものである。このスキームでのオプティクス、エミッタンス劣化をシミュレーションで評価し、問題ないことを報告した。新竹氏は、自分のPCを持ち込み、荷電粒子がアンジュレータや偏向磁石を通過するときの電気力線の変化（曲がり方）する様子を自作プログラムのクリックにより、これをビジュアルに示して見せた。私は、偏向磁石を通過するときのCSR放射時の電気力線の変化の様子を見て、まさに目から鱗が落ちたような気になった。
2.2 討論
午後のWGの討論は、ERLにおける課題は何かということから議論が始まった。時間が限られていたということもあって結論を出すには至らなかったが、現状の課題について、幾つかの意見が出されその問題点を明確にした。以下にその課題を順不同で列記する。
(1) 低エミッタンス電子錠:
RFかDC方式か？未だ結論が出ていない。どちらもR&Dを進める必要がある。
(2) バンチ圧縮:
フェムト秒領域のバンチ長が要求される。CSRパワーは、~10kW/m程度にもなる。こんなパワーは吸収できるのか？
(3) ウエーク場、ビーム不安定性、エミッタンス劣化、エネルギー拡がり
(4) ビームパイプの発熱
フェムト秒のバンチだとビームパイプの壁損失も小さくはない。例えば銅パイプの場合、200mACWのビームで~300W/mもの発熱がある。
(4) ビーム安定性とフィードバックシステム:
JLABのシミュレーションでは、主リニアックでのBBUは、数100mAまでOKであるが、超伝導空洞のHOMをキチンと評価し、その測定を精密に行う必要がある。
(5) S2E シミュレーション:
ERLでも、XFELでやっているような電子銃からビームダンプまでのトータルなシミュレーションコードを開発すべきである。
(6) リングERL:
サブマイクロ秒の安定性及び高繰り返しを有するキッカーのR&Dをする必要がある。
３．最終日の報告
最終日の午前中前半は、３つの報告があった。原研関西研の加藤氏による現在開発中のペタワットレーザーの進展状況に関する報告、A.Ropert氏/ESRFによるESRFで究極のエミッタンスを目指す報告、M.E.Couprie氏/CEAによるリングFELについての報告である。後半は、各WGのまとめが報告された。各報告をまとめることは、私には出来ないが、やはり次世代の放射光源をめざして加速器のみならず利用実験側も着実にその目標に向かって進歩しているのが感じられた。本WSは、３年毎に開催されるらしく、次回は、ハンブルグで開催されるとのことでWSが閉じられた。
４．終わりに
KEKでは、次期PF計画をどうするかという議論が始まっている。加速器研究施設でも、これを受けて何か新しい光源加速器を考えようと昨年の終わりにERL検討会が発足し、これを続けている。私は、この検討会の世話人をしているが、今回、本WSがSPring-8で開催されるとのことで、よい機会だと思い参加した。WSは、当然のことながら、FEL関係者が多数を占め、ERL関係者は、30人程度（WGの参加人数）で圧倒的に少数派であった（当然歴史が違う）。しかしながら、ERLのアイデア／技術は昔から有り、これを大型の放射光源に応用するという発想は、FELとは違った新しい方向を示すのではないかと思っている。本WSに参加し、この業界の人たちの何人かを知ることができ、討論を交えてよい勉強の機会を得ることができた。原研の羽島さんには、WGのレポートを無理言って送付していただきました。この場を借りてお礼を申し上げます。
以下の会合のプロシーディングスがpdf形式でダウンロードできます.
■HEACC 2001 3/26-30/2001 Tsukuba.
■PAC2001 6/18-21/2001 Chicago．
■第25回リニアック技術研究会 7/12-14/2000 SPring-8．
Physical Review Special Topics-Accelerators and Beams (PRST-AB) をご存じですよね． The journal covers the full range of accelerator science and technology: subsystem and componenttechnologies; beam dynamics; applications of accelerators; and design, operation and improvement of accelerators used in science and industry. This includes high energy and nuclear physics, synchrotron radiation production, spallation neutron sources, medical therapy, and intense beam applications, among others.ということです．
ところで，以下のビーム物理の教科書がpdf形式でダウンロードできます. すでにホームページに教科書を掲載していて，ここに取り上げても良いという方はご一報下さい.
■生出勝宣 ビーム力学入門 http://www-acc.kek.jp/WWW-ACC-exp/KEKB/KEKB-home.html
■町田慎二 Space Charge Effects http://hadron.kek.jp/member/machida/pub/pub.html
■鎌田進 ビーム物理学入門 http://www-acc-theory.kek.jp/members/kamada.html
■平田光司 "Advanced Single Particle Dynamics" (RIKEN Winter School on Physics of Beam)(1998) (日本語：単粒子力学上級編） http://www-acc-theory.kek.jp/members/HIRATA.html
■小方厚 レーザー・プラズマ・ビームの相互作用 http://home.hiroshima-u.ac.jp/~beam/ogata.html
■J. Rosenzweig " Fundamentals of Beam Physics" http://www.physics.ucla.edu/class/02W/150_Reiche/notes/，著者はUCLAのBeam Physics Labの教授．