KEK 電子陽電子入射器用 S バンド加速管の開発
NEW S-BAND ACCELERATING STRUCTURE FOR THE KEK ELECTRON AND
POSITIRON INJECTOR LINAC#, A, B)

惠郷博文#, A, B)

A)

A)

B)

C)

, 榎本嘉範, 肥後壽泰 , 東 保男 , 坂東祐星 , 牛本信二 ,重岡伸之 D) , 菅野東明 D) , 比嘉究作 D)
Hiroyasu Ego#, A, B), Yoshinori EnomotoA, B), Toshiyasu Higo A), Yasuo Higashi A), Yusei Bando B), Shinji Ushimoto C),
Nobuyuki Shigeoka D), Tomei Sugano D), Kyusaku Higa D)
A)High Energy Accelerator Research Organization (KEK)B)The Graduate University for Advanced Studies (SOKENDAI)C)
Mitsubishi Electric System & Service Co., Ltd.
D)
Mitsubishi Heavy Industries Machinery Systems, Ltd. (MHI-MS)

Abstract
New S-band accelerating structures have been developed to be replaced with the current structures deteriorating overtime in the KEK electron and positron injector LINAC. The new structures are a TM01-2π/3 mode traveling-wave typegenerating a quasi-constant accelerating gradient. They were designed to have a shunt impedance of 61.7 MW/m and togenerate an electric gradient of 25.9 MV/m at a rated input power of 40 MW. The disc irises of the structures have oval
fillets lowering their surface electric fields to suppress discharge. The irises tapered along the structure detune theHEM11-π like modes with the highest transverse impedances to suppress long-range-wake instabilities in operation of2-bunch beam with a high charge of 4 nC. We report on the design, manufacture, and high-power operation up to 100
MW over the rated power.

1.

はじめに

約 40 年に渡り KEK 電子陽電子入射器で使用されている PF タイプ S バンド加速管（以下、PF タイプ管）[1, 2]の多くに経年劣化による放電多発や水漏れなどが生じており、入射器安定運転への障害となっている。硬性鏡による加速管の内面観察[3]、重障害加速管の切断調査[4]から修復や再コンディショニングによる回復は困難と判断されたため、代替機となるディスクロード型 S バンド加速管の開発を 2017年より開始した[5]。本稿では加速管実機の設計、製作、大電力運転について報告する。

2.

製作

R&D 機では、磁界強度が高くなる内面外周部に Rを付けて Q 値を向上させたセル形状としたが[4]、コストや製作工程を考慮して実機では通常のディスク・シリンダータイプとした。
シャントインピーダンスの設計値は 61.7 MW/m、定格 40 MW 入力で 25.9 MV/m の加速電界を発生する。入射器の加速管は SLED によって 1 µs にパルス圧縮されたパワーで運転されている（Fig. 2）。
SuperKEKB 蓄積リングに電子、陽電子ビームを供給する際、最大 4 nC の電荷を持つ 2 バンチビームを加速する。バンチの時間間隔は、バンチャー周波数と蓄積リングの加速空洞周波数、RF パルスコン
プレッサーの利得曲線の幅を考慮して 96.29 ns となっている[6]。この高電荷 2 バンチビームを安定に加速するため、long-range ウェイクによるビーム不安定性を抑制するように 2a 径を設定した。TM012p/3 加速モードを 2856 MHz に設定すると、4.3 GHz

2.1 高周波設計
新加速管は TM01-2p/3 モード 2856 MHz（本体30℃、内部真空中）準定勾配進行波型である。加速管の概形図と断面図を Fig. 1、PF タイプ管と比した高周波特性の設計値を Table 1 に示す。加速管全長、フランジタイプ（KEK 入射器専用丸型）とその位置、運転周波数、運転条件などは劣化加速管との交換を考慮した設定である。PF タイプ管は、高次モードによる BBU（beam break-up）対策としてディスクアイ
リス径 2a サイズの分布が異なる 5 種類が存在する。
Table 1 は 5 種の各パラメータに対して最大、最小の値を示している。新加速管のディスクアイリスのエッジは 1:2 の楕円形状に丸めており、PF タイプ管の円型に比べて表面電界強度は約 20%低くなる。 Figure 1: New S-band accelerating structure for the KEK____________________________________________
injector and its cutaway view.
#ego@post.kek.jp

付近で横方向に高いインピーダンスを持つ HEM11-pモードがビームと同期する。このモードに対して122.3 MHz の線形周波数分布を与え、最初のバンチが励起した HEM11 ウェイク場が次のバンチが通過する 96.29 ns 後にビートの節となって、1/1000 程度まで減少するように設計した。
カプラーに関しては R&D で設計、試作した形状を採用した（Fig. 3）。放電抑制および表面電流によるパルスヒーティング低減のため、カプラーアイリス部や電界対称性補正凹部（三日月カット）から鋭いエッジを排除した形状となっている。

設計値に非常によく一致した。各モデル管のHEM11-pモード周波数はシミュレーション計算値より約 1.4 MHz 低い値であったが、周波数変化量のばらつきは 0.1 MHz 以下で誤差として問題のない結果が得られた。低電力 RF 測定で得た実機加速管 4 本の高周波特性を Table 2 に示す。シャントインピー
ダンスはモデル管の平均値である。周波数調整のディンプリングのため、加速管内面が荒れて Q 値が設計値より約 3%低くなっているが、それ以外は設計性能通りの良好な高周波特性となっている。
Table 1: RF Properties of the Accelerating Structure

5Pout/Pin

新型

PF タイプ（5 種）43

運転周波数 fa [MHz]

2856

2

運転モード

TM01-2p/31型式

準定加速勾配進行波型

レギュラーセル数54

入出力カプラー電界対称性補正凹み付き 1 開口型

ディスクアイリス

27.875-19.700

23.340 – 19.234

減衰定数t [Neper]

0.302 – 0.368

0.366

平均シャントインピー
ダンス Rsh [MW/m]

57.3 – 58.3

61.7

Q

13,70014,000平均群速度 vg/c0.0137 – 0.0113

0.0117

フィリングタイムTf [µs]0.462 – 0.558

0.570

加速利得 [MeV/MW1/2]

7.00 – 7.58

7.87

2,066

2,064

0012

34t [µs]

5678Figure 2: Waveform of an output power of the KEK RF
pulse compressor. Pout/Pin shows the power multiplication
factor.

Figure 3: Schematic of the input/output coupler and its
cutaway view.
2.2 製作・低電力測定

2a [mm]

全長 L [mm]Table 2: RF Properties of the Fabricated Structures
材料は HIP 処理したクラス 1 無酸素銅（C1011）を用いた。超精密旋盤による加工にて主要寸法の公号機
#001
#002
#003
#004
差は 5 µm 以下、ディスク平坦部とシリンダー部の測定周波数 [MHz]2856.000
表面粗さは Rz 0.1 以下、ディスクアイリス部は Rz30℃ 真空換算0.3 以下に仕上げた。PF タイプ管は加速セル本体を電鋳で一体化、その本体にろう付け組立したカプ
累積移相誤差 [ ]2.67-2.86-1.59-1.89
ラーを EBW で接合、TIG による冷却ジャケット溶
入力 VSWR
1.008
1.004
1.010
1.002
接など複雑な製作工程で組立されており[2]、現在ではその製作方法を再現することは技術、コスト両面
出力 VSWR
1.021
1.0211.0261.019でメリットがない。そのため、今回の製作ではろう平均シャントイン62.3付けによる組立とし、接合条件の最適化を行った。
ピーダンス（モデ実機セル加工と組立を行う前に加速管最上流部、ル管）[MW/m]
中央部、最下流部の 2a 径をもつ 3 種の 9 セル定イt0.380.380.380.38
ンピーダンスモデル管を製作して加工精度の確認、加速モードおよび HEM11-pモードの高周波特性の測Tf [µs]0.57
0.57
0.570.57
定、ディンプリングによる周波数調整試験を行った。
Q
13,610 13,600 13,620
13,590モデル管の測定結果は 3 次元 RF シミュレータ
ANSYS-HFSS[7]や MAFIA、CST-Studio[8]から得た
vg/c
0.012
0.012
0.0120.012

3.

大電力運転

製作した 4 本の加速管は、2 ヶ所の S バンド機器
テストベンチで大電力性能の確認とコンディショニングを行った。放射線シールド内に設置した新加速管の様子を Fig. 4 に示す。イオンポンプで加速管を10-6 Pa レベルに真空引きした状態で、大電力高周波を投入していった。加速管本体内部にはf 10 mm の水路が 8 本設けられており（Fig. 3）、30℃純水を18 L/min 流して冷却した。

ミーロードへの負荷も少ないため、より短い時間で目標パワーへ到達した。パルス幅 0.5 µs コンディ
ショニング後であれば、1 µs コンディショニングでの真空悪化や反射異常の頻度は少なく、短時間で目標値へ到達する。
100 MW までのコンディショニングを終了した加速管 4 本は 2021 年 1 月に入射器トンネル内 4 セク
ター第 4 加速ユニットに設置され、現在、ビーム加速運転に使用されている。このユニットは 2022 年
度にクライストロンが増設され、加速管 1 本あたり80 MW で運転を行う。

4.

まとめ

経年劣化による PF タイプ S バンド加速管の代替となる新型 S バンド加速管の開発を行った。加速管は TM01-2p/3 モード 2856 MHz 準定勾配型で定格 40MW 入力で 25.9 MV/m の加速電界を発生する。製作した 4 本の加速管は設計通りの高周波特性を有し、コンディショニングにより RF パルスコンプレッ
サーのピーク出力で約 100 MW の大電力運転が可能
Figure 4: S-band accelerating structure set in the radiation- となった。SuperKEKB での 6s 共鳴実験に必要なエネルギー増強と安定運転を実現するため、現在、12shield room for RF high-power conditioning.
本の量産を行なっており、2023 年度内に入射器へのFigure 5 に 2 号機のコンディショニング履歴を示 インストールを完了させる予定である。
す。パルス運転の繰り返しは 50 Hz、RF パルスコン
プレッサー出力パルス幅 0.5 µs でスタートし、100 謝辞
MW 到達後、パルス幅を定格の 1 µs まで広げた。現
新加速管開発の推進および多大なサポートをいた
在の定格運転パワーは 40 MW であるが、将来、80だいた加速器第五研究系 古川和朗主幹に感謝いたMW での運転を予定している。加速管フィリングタします。また、大電力試験を行うにあたり、入射器イムの時間平均で 80 MW 投入するには RF パルスコ
RF グループおよび三菱電機システムサービス（株）
ンプレッサー出力ピークで 126 MW までコンディ運転員各位に多くの支援をいただきました。深く感ショニングする必要があるが、加速管出口に接続し謝いたします。
たダミーロードの入力パワー制限のため、今回の運転上限パワーは 100 MW となった。1 µs での上限値
参考文献が 96 MW に制限されているのも、パルス幅が長くなるに連れてダミーロードの真空悪化頻度が上がる [1] I. Sato et al., “Design report on PF Injector Linac Upgradefor KEKB”, KEK Report 95-18, in Japanese.
ためである。パルス幅 0.5 µs で 100 MW に到達する [2] Y. Iino et al., “PF 2.5 GeV Linac Accelerator Tube
までに 463 時間（インターロックによる一時停止時Fabrication”, Proceedings of the 7th Meeting on Linear間を含む）、パルス幅 1 µs で 96 MW に到達するまAccelerators, KEK, Japan, Aug. 24-26, 1982, pp. 52-55.
でに 80 時間を要した。最初から 1 µs でコンディ [3] T. Higo et al., “KEK の電子陽電子入射器に 30 年以上用いられてきた加速管の内面検査と高電界特性” ,ショニングを開始する場合に比べると 0.5 µs コン
Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle
ディショニングはガス放出の量・頻度も少なく、ダAccelerator Society of Japan, Chiba, Japan, Aug. 8-10,         10-4

1200.5 µs

1.0 µs
10-58060

10-640vacuum [Pa]power [MW]10020000.5

11.5

210-7
2.5

6time [x10 s]

Figure 5: Conditioning history of the S-band accelerating
structure #002.

2016, pp. 853-857.
[4] T. Higo et al., “30 年以上用いられた KEK 電子陽電子入射器 S バンド加速管の内面検査”, Proceedings of the
15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society ofJapan, Nagaoka, Japan, Aug. 7-10, 2018, pp. 456-459.
[5] A. Saji et al., “S バンド加速管の製作”, Proceedings ofthe 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society ofJapan, Nagaoka, Japan, Aug. 7-10, 2018, pp. 918-921.
[6] Y. Ogawa et al., “KEKB ライナックにおける陽電子倍増のための大強度 2 バンチ加速”, Proceedings of the26th Meeting on Linear Accelerators, Tsukuba, Japan, Aug.
1-3, 2001, 1B-2.
[7] https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-hfss/[8] https://www.3ds.com/ja/productsservices/simulia/products/cst-studio-suite/