高温超伝導バルク磁石を用いたスタガードアレイアンジュレータ

ビーム物理研究会 2010、理化学研究所　和光キャンパス　仁科ホール、2010 年 11 月 11 日高温超伝導バルク磁石を用いたスタガードアレイアンジュレータ金城良太、紀井俊輝、M. A. Bakr、 Y. W. Choi、吉田恭平、上田智史、高崎将人、木村尚樹、石田啓一、園部太郎、増田開、長崎百伸、大垣英明京都大学エネルギー理工学研究所本研究は以下の助成を受けたものである。日本学術振興会　科学研究費補助金　基盤研究（Ｂ）日本学術振興会　科学研究費補助金　特別研究員奨励費

背景 • 強磁場・短周期アンジュレータの必要性 • 高温超伝導バルク磁石を用いたスタガードアレイアンジュレータ(Bulk HTSC SAU: Bulk High-Temperature Superconductor Staggered Array Undulator) • 原理 • 原理実証実験 @77 K • 利点 • Bulk HTSC SAU のモデルに基づく性能予測 • 期待される性能 @ 4.2 – 20 K • まとめ

放射光の短波長化 1. 背景アンジュレータ放射光の波長 lR lU: アンジュレータの周期 g : ローレンツ係数 K : 偏向係数短波長化したい中型のシンクロトロンで大型と同じ波長域の放射光を得たい短周期アンジュレータ K ~ 1 lU= 20 mm, B0 = 0.5 T　永久磁石 lU= 10 mm, B0 = 1 T未実現 lU= 5 mm, B0 = 2 T未実現 K値を保つために強磁場が必要

強磁場の Damping Wiggler 1. 背景 Damping Ring 放射ダンピングによりエミッタンスを低減 Damping Wiggler ダンピングスピードはに比例

アンジュレータの強磁場・短周期化の試み 1. 背景 • IVU: In-Vacuum Undulator • 真空封止 • CPMU: Cryogenic Permanent Magnet Undulator*1 • IVU ＋低温永久磁石 • SCU: Superconducting Undulator*2 • 超伝導（低温・巻き線型） IVU を CPMU に改造中永久磁石周期 lU= 14 mm, ギャップg = 5 mm 小型冷凍機 *1 T. Tanaka, et al., New Journal of Physics, Vol. 8, p. 287, 2006 *2 S. Kubsky, et al., AIP Conf. Proc., Vol. 705, pp. 223-226, 2004

高温超伝導バルク磁石Bulk HTSC: Bulk High-Temperature Superconductor 1. 背景 • 高い超伝導転移温度（100 K 付近） • 20 – 30 K で運用できれば、SCU (4 K)より • 小型の冷凍機でビームからの熱負荷を取り除ける。 • ギャップを小さくできる。 • 永久磁石より強い磁場を着磁可能 • 半径 13 mm のBulk HTSC で 17 T 以上 @ 29 K*1 • 着磁磁場＝臨界電流密度 Jc ×Bulk HTSC のサイズ • Jcは温度の関数。冷やすほど大きくなる。 • 3 年間で 2 倍のペースで Jcが向上すると期待されている。　*2 アンジュレータ構造中で、どのように着磁を行うか？どのように正弦関数的な周期磁場を生成するか？ *1 M. Tomita and M. Murakami, Nature Vol. 421, 2003 *2 NEDO 技術戦略マップ 2009 超電導技術分野の技術ロードマップ（共通基盤技術－バルク）

Bulk HTSC への着磁原理 2. Bulk HTSC SAU Bean モデル冷却＆磁場変化磁場侵入度Ld 8

Bulk HTSC SAU の原理 2. Bulk HTSC SAU ソレノイド電子ビーム Bulk HTSC Bulk HTSCの磁化ベクトルアンジュレータ磁場ソレノイド磁場変化 BSstart⇒ BSendにより、Bulk HTSC 内部に超伝導ループ電流を誘起（着磁）し、アンジュレータ磁場を生成。

実験装置 2. Bulk HTSC SAU Period lu = 5 mm Period Number N = 11 Gap g = 4 mm DyBaCuO Tc ~ 91 K Jc ~ 100 A/mm2 @ 77 K 3.5 kA/mm2 @ 20 K 10 55 mm

実験結果 @ 77 K 2. Bulk HTSC SAU アンジュレータ磁場の生成、ソレノイド磁場による振幅の制御

振幅の飽和とばらつき 2. Bulk HTSC SAU 飽和ばらつきは大きいソレノイド磁場変化に比例ばらつきは小さい現状の Bulk HTSC では臨界電流密度の個体差が大きいため、磁場侵入度が低い領域で使う必要がある。

Bulk HTSC SAU の利点 2. Bulk HTSC SAU • 全ての Bulk HTSC が単一のソレノイドにより着磁可能 • 臨界電流密度のBulk HTSC 毎の個体差がアンジュレータ磁場のエラーに直結しない（ある程度のばらつきが吸収される） • アンジュレータ磁場の振幅をソレノイド磁場の変化によって振ることができる • アンジュレータ磁場と運転時のソレノイド磁場を独立に制御可能である（Byと Bzを独立に制御可能）一般的なスタガードアレイアンジュレータの利点一般的なスタガードアレイアンジュレータと異なる

実験 @ 77 K との比較 3. 性能予測超伝導の Bean モデルに基づく Bulk HTSC SAU のモデルは、 77 K での実験結果をよく再現。

期待される性能① 3. 性能予測 Bulk HTSC SAU の計算条件 Bulk HTSC （カマボコ形）の直径 Dy= 130 mm 磁場侵入度 Ld = 10 % 周期 lu = 14 mm, ギャップg = 5 mm で達成しうるB0 [T] 永久磁石低温超伝導線材高温超伝導バルク磁石臨界電流密度 Jc > 3 kA/mm2であれば他方式より強いアンジュレータ磁場が可能。 Jc > 3 kA/mm2は、現在の Bulk HTSC を 20 – 30 K まで冷却すれば得ることができる。

期待される性能②(Jc = 3.5 kA/mm2 (~ 20 K)) 3. 性能予測 Bulk HTSC r = 65 mm K = 1 @ lu = 10 mm, g = 4 mm lu = 12 mm, g = 6 mm

期待される性能③(Jc = 10 kA/mm2 (~ 4.2 K)) 3. 性能予測 Bulk HTSC r = 65 mm K = 1 @ lu = 7 mm, g = 4 mm lu = 9 mm, g = 6 mm 18

まとめ 4. まとめ • 強磁場・短周期アンジュレータが必要である。 • シンクロトロン放射光源 • ダンピングリング Bulk HTSC を用いることが有望な解決策である。しかし、アンジュレータ構造中での着磁方法が必要である。 Bulk HTSC SAU 試作機を用いて 77 K での実験で着磁、アンジュレータ磁場生成、その振幅の制御を実証した。 Bulk HTSC SAU のモデルに基づき、低温での性能予測を行い、短周期でも十分な磁場強度を確認した。 Bulk HTSC SAUは強磁場・短周期アンジュレータとして有望

高温超伝導バルク磁石を用いたスタガードアレイアンジュレータ