Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)[12P-01]
Present Status and Improvement of the KEK - 40 MeV Proton Linac
E.Takasaki, F.Fukumoto, Z.Igarashi, C.Kubota, F. Naito, K.Nanmo and T.Takenaka
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki 305-0801, Japan
Abstract
In order to accelerate a high intensity beam with a good quality and to supply the beam into the 500 MeV
booster synchrotron, we have to maintain good conditions of many equipments and instruments of the KEK 40 MeV proton linac. Hence, we have used programmable logic controllers (PLC) for all the control systems
and introduced INTERNET technology for control of the linac. Furthermore, we have developed someaccelerator components for the future proton linac. In this report, we describe the present status of someequipments and instruments, and techniques developed at KEK.

KEKKEK - PS 40MeV 陽子 LINAC の現状と改善
1.はじめに1. はじめにKEK - PS - LINAC のﾒﾝﾊﾞｰは、1988 年以来、
JHP, JHF 計画その後の統合計画に、積極的に参加してきた。当然、KEK-PS ｼﾝｸﾛﾄﾛﾝの入射器としての陽子ﾘﾆｱｯｸの円滑な運用のため、色々な維持･改善作業も実施してきた。これらの作業は、主に、機器･装置の安定化、少人数に対応する監視･運転制御系の構築、維持作業の簡便化等に向けられた。一方、大きな計画に参加するばかりでなく、我々自身も、将来の陽子ﾘﾆｱｯｸの姿を想定し、ｸﾞﾙｰﾌﾟで開発出来る物が何かを見定め、加速器構成要素を試作･ﾃｽﾄしてきた。この研究会では、
KEK-PS-LINAC の現状と改善･開発状況を報告する。
2.PS ｼﾝｸﾛﾄﾛﾝ入射器としての現状と改善
2-1) 制御系の更新
少人数化に迅速に対応するために、制御系の更新を行い、最終的には、各 office で制御可能な体制が考慮された。図１に見られる構成が提案された [1]。我々は、PS-LINAC の運転機器を以下のように働きの違いにより段階に分割し、制御系を更新してきた。
A) 信頼性の向上の為、機器(特に,電源)のｲﾝﾀﾛｯｸ･STATUS の把握のために使用されていた従来のﾘﾚｰ回路を全て PLC に更新した [2],[3]。ｵｼﾛ画面上のﾊﾟﾙｽ波形(ﾋﾞｰﾑ波形を含む)を VIDEO で撮影し、所内 LAN を通じて、映像を配信する系を構築した [1]。
B) ﾊﾟﾙｽ RF 源の安定化のために、RF の負帰還回路を外付けで導入するが、負帰還回路の暴走により、別の事故を誘発する場合がある。そこで、そ

図 1;ﾃﾞｰﾀﾍﾞｰｽｼｽﾃﾑ構成図(Ref.[1]より)の暴走を避けるため、ﾊﾟﾙｽ RF 源の安定運転可能領域の把握が重要となる。この様な事情を考慮し、ﾊﾟﾙｽ機器の安定化･故障診断のために、ｲﾝﾃﾘｼﾞｪﾝﾄなｿﾌﾄを含んだ制御系を導入する [4]。現在、具体的には、横河製 WE7000 ｼﾘｰｽﾞの導入を考えている。
図２に、我々の奮闘時のｽﾅｯﾌﾟを示す。

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図 2;WE7000 で波形を取り込み中C) 更に、LINAC の良好なﾋﾞｰﾑ透過率並びにﾋﾞｰﾑ特性を得るために、LINAC 運転ﾊﾟﾗﾒｰﾀの条件並びに適用範囲を確保する。我々は、通常、加速器の立ち上げ時に、LINAC の加速特性を測定し、そのﾃﾞｰﾀを把握しているが、非常に膨大な情報量となる。このためにも、前述した WE7000 ｼﾘｰｽﾞを導入し、有効な活用を追求している。具体的例
として、”LINAC のｴﾈﾙｷﾞｰ安定化”を考察している[5] 。
前述したように、当初の我々の制御系は各office から実施できることであった。しかし、加速器の制御が各 office から可能であることは、安全性の面からも問題であると言うことになった。
そこで、問題は”加速器の制御とはどうあるべきか？”となり、広く関係者間で協議されているはずである。その様な理由で、現在、我々は、図３に見られるように、WWW ﾌﾞﾗｳｻﾞからﾊﾟﾙｽ波形(ﾋﾞｰﾑ含む)、ｲﾝﾀﾛｯｸ･STATUS 情報等を各 office で監視することが出来る状況のままである。今後も随時監視項目を増やしていく予定である。

念図を基に、分解可能なＬ型同軸管を提案した [9]。
それは 60 MeV LINAC で使用される 203D 同軸管として製作されている。今年は、更に、図 5 に示す構造を持った長さ可変（約 100mm、位相可変）の 203D 同軸管を試作する予定である [10]。長寿命化の例としては、20kW 以下の RF 増幅器を全固体化増幅器に更新したこと、冷却水路の材料の変更（真鍮製を撤去）等である。
位置及び回転決めﾋﾟﾝ

位置決めﾋﾟﾝ

B-形ｽﾍﾟｰｻ

A-形ｽﾍﾟｰｻ

固定ﾈｼﾞ

固定ﾈｼﾞ
A- 部

B- 部

この図は、A-形,B-形ｴﾙﾎﾞを重ねた物である
ため、複雑になっている。
実際は、どちらかなので、より簡単である。

ﾌﾗﾝｼﾞ面

今後、新たにｴﾙﾎﾞを製作時、どちらかの形に限定することが望まれる。

図 4;分解可能なＬ型同軸管の概念図
B型ﾌﾗﾝｼﾞ
B-形ｽﾍﾟｰｻ

B型ﾌﾗﾝｼﾞ
RFｺﾝﾀｸﾀｰ
内管（固定）に付く。

位置決めﾋﾟﾝ

固定ﾈｼﾞ

d1

B部

d2

C部

d0

B- 部

図 3;五十嵐 office で TH516 ﾊﾟﾗﾒｰﾀ監視中制御系の構築には、PS-制御ｸﾞﾙｰﾌﾟ; 木代、門倉、濁川諸氏の多大の援助を受けています。
2-2) 維持作業の簡便化と長寿命化のためにこの目的のために、予備品の確保並びに製造中止品への代替策は、重要な点である。特に、LINAC建設以来、酷使さ れている大電力電源（ TH516
陽極ﾊﾟﾙｽ電源）周辺部品の予備品/代替品の確保が大切である [6]。ここ数年間発生しているﾀﾝｸ放電の原因の追求･対策 [7] は現在も引き続き行われている。現在応急処置として、ﾋﾞｰﾑ停止期間に出来るだけ高いﾀﾝｸﾚﾍﾞﾙまで RF を供給し、ﾀﾝｸのｺﾝﾃﾞｯｼｮﾆﾝｸﾞをしている。また、交換用ﾄﾞﾘﾌﾄﾁｭｰﾌﾞを 3 ｹ確保･保管し、万が一の事故の場合、急遽対応できる。一方、材質による放電頻度の差を調査している [8] 。まだ残されている問題は、入力ｶﾌﾟﾗｰのRF 窓(ｾﾗﾐｯｸｽ)とその交換作業である。交換作業時、入力ｶﾌﾟﾗｰの構造(WX203)上、同軸管の内/外導体の同時接合が要求される。即ち、203D 同軸管の分解･組立が行われる。我々は、図 4 に示した概位置決めﾋﾟﾝ

D0A部
d0

B-形ｽﾍﾟｰｻ

D2

D1D0

固定ﾈｼﾞ

RFｺﾝﾀｸﾀｰ
外管（移動）に付く。

ｌn(D0/d0)=ｌn(D1/d1)=ｌn(D2/d2)を満足する。
A,B部の不連続部は、周波数によりﾃｰﾊﾟ部を変えて、補正することが出来る。

図 5;長さを可変できる同軸管の概念図
2-3) 現場での監視･点検を励行
PS-LINAC の機器の維持･改善作業は、現場での機器の監視･点検が基になっている。しかし、現時点に於いても、容易に既存のｾﾝｻｰで監視･点検出来ない物が多い。例えば、ﾌﾞﾛｱの回転音の異常、冷却水の汚れ、水漏れ、油漏れ、駆動機器の異音、ﾌﾞﾚｰｶの発熱、TH516 蒸発冷却の突沸状況
等枚挙の暇がない程多い。そのため、我々は、少なくとも一日一回の現場監視･点検の励行を欠かすことが出来ない。
3.LINAC 加 速器要素の開発
我々は、数年前から図 6 に示すような将来の陽子
LINAC の構成(CW 運転可能)を想定し、”どの様な加速器要素の開発が必要か?”を考察･試作してきた。RFQ の構造としては上野氏の発明した構造を採用し、又、CCL には APS(又は DAW),固定ﾈｼﾞ固定ﾈｼﾞ

超伝導ｷｬﾋﾞﾃｲ等の採用が考えられた。これらの製振り分け偏向電磁石
大強度負水素ｲｵﾝﾋﾞｰﾑ(約60mA)法は、既にﾄﾘｽﾀﾝ建設時開発済みである。
加速ｴﾈﾙｷﾞｰを数百MeVとする。
ｼﾝｸﾛﾄﾛﾝの入射効率(ﾋﾞｰﾑ損失)並びに超伝導LINACの製作性がﾊﾟﾗﾒｰﾀとなる？

四極電磁石
achromaticﾋﾞｰﾑ系とするため。

ﾊﾟﾙｽ用
RFQ

ｱﾙﾊﾞﾚ型LINAC

ＤＴＬー１

ﾊﾞﾝﾁｬｰ

ＤＴＬー２

ﾊﾟﾙｽ大強度負水素ｲｵﾝﾋﾞｰﾑ
ｼﾝｸﾛﾄﾛﾝ入射用ﾋﾞｰﾑとして使用する。

CCL

ＤＴＬーｎ

連続陽子ﾋﾞｰﾑ
連続運転用陽子ﾋﾞｰﾑ(約5mA)

連続用
RFQ

加速ｴﾈﾙｷﾞｰ
約 3 MeVﾊﾞﾝﾁｬｰ系；・両ﾗｲﾝの加速ｴﾈﾙｷﾞｰを揃えること。
・ﾊﾞﾝﾁ長の整列のため。

振り分け偏向電磁石

加速ｴﾈﾙｷﾞ-を約 10 MeVとする。(JHPに習い)・ﾀﾝｸのstoredｴﾈﾙｷﾞｰを小さくしたい。
・放電,DTの故障がこのﾀﾝｸに集中する。
・世界の陽子LINACの多くは10MeVとなっている。
・後段加速器の運転のために、ﾋﾞｰﾑの特性を精度良く測定するために、適当なｴﾈﾙｷﾞｰである。

超伝導LINAC

振り分け偏向電磁石

加速ｴﾈﾙｷﾞｰを約 1.5 GeV とする。
核消滅用等を想定する。

将来の陽子LINACの構想案
これは、KEK-PS-LINACグループの加速器要素開発のために想定した
陽子LINACの構成概念図である。ｻｲｽﾞを決めるDTL周波数はPS-LINAC相当(201MHz)とした。CCL、超伝導LINACでは、ﾄﾘｽﾀﾝで使用されているAPS（又は試作されたDAW）、超伝導ｷｬﾋﾞﾃｲの製作経験が充分に生かされる。
図中、通常使用される四極電磁石、ﾋﾞｰﾑﾓﾆﾀｰ等は省略した。

図 6;我々の想定した将来の陽子ﾘﾆｱｯｸの構成案
そこで、当面、我々の対処すべき点は、DTL-1 のﾄﾞﾘﾌﾄﾁｭｰﾌﾞ内に据え付ける直流電磁石の製作可能性とﾄﾞﾘﾌﾄﾁｭｰﾌﾞの変形、ﾀﾝｸの冷却能力を上げる方策の追求であると考えた。第一の問題は、狭い空間に収容できる四極電磁石(特に、ｺｲﾙ)の製造可能性の有無であった。図 7 に見られるような電鋳ｺｲﾙの試作に成功した [11,12] 。この技術は、60 MeV
LINAC の四極電磁石にも適用された。ｺｲﾙ製作に適用された PR 電鋳法 [13]は、ﾛｹｯﾄ製作にも適用されている技術であるが、純度の高い銅を電着することが分かった [14]。又、無欠陥の電鋳面は、高い電界にも強いことが分かった [8]。 ｺｲﾙの発熱によるﾄﾞﾘﾌﾄﾁｭｰﾌﾞ変形を少なくするために、ｺｲﾙのみを絶縁物で含浸し、ﾄﾞﾘﾌﾄﾁｭｰﾌﾞ面と電磁石間に真空空間を設ける予定である。RF による熱除去の効率を上げるために、現在、ｱﾙﾐﾆｳﾑ合金上の銅電鋳による製作の可能性を追求している [15]。

図 7;水冷式試作電鋳ｺｲﾙ(5.5 ﾀｰﾝ)
参考文献.

[1] K.Nigorikawa et al., 第 22 回 LINAC 技術研究会(1997), P207.
[2] T.Takenaka et al., 第 22 回 LINAC 技術研究会(1997), P175.
[3] K.Nanmo et al., 第 22 回 LINAC 技術研究会(1997), P178.
[4] K.Nanmo et al., 第 24 回 LINAC 技術研究会(1999), P314.
[5] Z.Igarashi et al., “KEK 40 MeV 陽子ﾘﾆｱｯｸのﾋﾞｰﾑ･ｴﾈﾙｷﾞｰ安定化”, 本研究会で報告.
[6] T.Takenaka et al., “KEK 40 MeV Proton
Linac 大電力電源充電部の改造”, 本研究会で報告予定.
[7] T.Takenaka et al., 第 24 回 LINAC 技術研究会(1999), P134.
[8] Y.Saito et al., “電鋳法により形成された無酸素銅電極の放電特性”, 本研究会で報告予定[9] C.Kubota, F.Naito et al., KEK-PS-LINAC
MAINTENANCE REPORT NO.208,[10] C.Kubota
andE.Takasaki,
KEK-PS-LINAC MAINTENANCE REPORTNO.219[11] 名航ﾆｭｰｽ
あおぞら 1998, 2, NO.104[12] K.Tajiri et al., ”Coil, New Application ofElectroforming”. AESF/SFSJ. Advanced
Surface Technology Forum Proc. p.145(1998).
[13] K.Tajiri et al., The 19th Meeting of theElectrochemical Society, NO.102 (1999).
[14] 影山達也、1998/7/18 銅鍍金高機能化ﾒﾓより[15] F.Naito et al., “ｱﾙﾐﾆｭｰﾑ合金上への銅電鋳顛末記”, 本研究会で報告予定