SuperKEKB
概要と補足説明

Sep. 8, 2017 国内レビュー
Haruyo Koiso,
for the SuperKEKB Accelerator Group資料
https://kds.kek.jp/indico/event/15914/• Design Report ドラフト• マシンパラメター表• Strategy of Phase 2 by 大西さん

Redesign the lattice to squeeze theemittance (replace short dipoles withlonger ones, increase wiggler cycles)
Colliding bunches

IPLER
e+ 3.6 A
4 GeV

New superconducting final
focusing magnets near the IP

HER
e- 2.6 A
7 GeVSuperKEKBuNano-Beam scheme
extremely small by*
low emittanceuBeam current double
γ ± $ σ *y ' I±ξ± y $ RL 'L=& )&1+ )2ere % σ *x ( β *y % Ry (40 times higher luminosity
2.1x1034 --> 8x1035 cm-2s-1€

Wiggler sections upgrade
Improve monitorsand control system
Injector Linac upgradel RF electron gun
l improve e+ source

New e+ Damping Ring
Replace beam pipes with
TiN-coated antechambertype ones

Reinforce RF systems forhigher beam currents

SuperKEKB
Beam energy (LER/HER) : 3.5/8.0 GeV (KEKB) → 4.0/7.0 GeV (SuperKEKB)
Luminosity gain Beam current (LER/HER):
２倍
1.64/1.19 A (KEKB)→ 3.6/2.6 A (SuperKEKB)

Beam-beam parameter:
0.129/0.090 (KEKB)

1倍→ 0.088/0.081 (SuperKEKB)

Lorentz factor

γ ± ⎛ σ *y ⎞ I±ξ± y ⎛ RL ⎞L=
⎜1+ * ⎟ * ⎜ ⎟2ere ⎝ σ x ⎠ β y ⎝ Ry ⎠Classical electron radius

40倍€

Beam size ratio

Geometrical reduction factors due tocrossing angle and hour-glass effectLuminosity:

Vertical b at the IP:

2.11 ×1034 cm-2s-1 (KEKB)

5.9/5.9 mm (KEKB)→ 80 ×1034 cm-2s-1 (SuperKEKB)→ 0.27/0.3 mm (SuperKEKB)

20倍
Challenging

Beam Commissioning
Beam commissioning is being performed in three phases.
~5 months
Feb. - June 2016
successfully finished~5 months

Phase 1w/o QCS and Belle II

Phase 2
w/QCS and Belle II

Phase 3
Physics Run

Luminosity tuning
Target luminosity:
1 x 1034 cm-2 s-1
background study

Luminosity tuning
Target luminosity:
8 x 1035 cm-2 s-1

Basic machine tuning
Vacuum scrubbing
Low emittance tuning

w/o Vertex detector

Here we are.
QCS: final-focus superconducting magnet system

Y. Funakoshi et al.

Parameter
KEKB

Phase 1

Phase 2 4x8

Phase 3bx* (mm)1200 / 1200/

128 / 100

32 / 25by* (mm)

5.9 / 5.9/

2.16 / 2.4

0.27 / 0.30

ex (nm)18 / 24

2.0 / 4.6

2.1 / 4.6

3.2 / 4.6ey (pm) , coupling

1498 / 1598

~ 10 / -29.4 / 64.4, 1.4%
(105 / 230, 5.0%)

8.64 / 12.9
(0.27% / 0.28%)

xy

0.129 / 0.090-0.0484 / 0.0500(0.0257 / 0.0265)

0.088/0.081

sy* (µm)

0.94 / 0.94-

0.25 / 0.39
( 0.48 / 0.74)

0.048/0.062

Ibeam (A)

1.64/1.19

1.01/0.87

1.0/0.8

3.6/2.6

Nbunches

1584

1576

1576

2500

Luminosity(1034 cm-2 s-1)

2.1-2 (1)80

LER /HER

Nano-beam Scheme
Phase 2 “4x8”bx* = 128 mm, by* = 2.16 mm
ey = 29.4 pm (coupling 1.4%)

Phase 3bx* = 32 mm, by* = 0.27 mm
ey = 8.64 pm (coupling 0.27%)

垂直ビームサイズ

KEKB

SuperKEKB
1 µm

水平方向バンチ衝突の様子

100 µm

5 mm
SuperKEKB• バンチはLERのパラメタで記述

KEKBは比較のため• 水平方向は有限交差角衝突の場合を記述• 垂直方向は21.08/nb/s 達成時の推定値(sy*~0.94 µm)を記述

Phase-1 Commissioning
Phase 1 milestones: Feb. to June, 2016l Feb. 1: BT tuning startedl Feb. 8: LER injection tuning startedl Feb. 10: beam storage in LER
l Feb. 22: HER injection tuning startedl Feb. 26: beam storage in HER

red: beam current

2/1/2016

3/1

Tasks during phase 1 operationl Basic machine tuningl Vacuum scrubbingl Low emittance tuningl Machine studies on electron cloud
effect, beam background, etc.

Achieved beam current
870 mA (HER)
1010 mA (LER)

purple: vacuum pressure

4/1

5/1

6/1

7/1

K. AkaiVacuum Scrubbingnn

The vacuum system worked well with newly introduced components.
Integrated beam currents satisfied requirement for Belle II roll-in.
[HER]• Base pressure: ~3x10-8 Pa• Max. beam current: 870 mA• Int. beam current: 660 Ah• Avg. Pressure: ~ 2x10-7 Pa(arc sections) ~ 6x10-8 Pa• Lifetime ~ 400 min.
[LER]
• Base pressure: ~5x10-8 Pa• Max. beam current: 1010 mA• Int. beam current: 780 Ah• Avg. Pressure: ~ 1x10-6 Pa• Lifetime: ~ 70 min.
(with Emittance control Knob ON)
Y. Suetsugu et al.

Low Emittance Tuningnn

Optics corrections have been worked successfully in both rings.
Tentative target of vertical emittance has been achieved in LER.
Measurements with X-ray monitor (XRM) give larger ey in HER.
lMore calibration of XRM and larger by at RXM in Phase-2.
LER

VerticalVertical Dispersion
Emittance (εy) [pm]rms(Δηy) [mm]nskew-Q corrector coilon sextupole

SBeam-size measurementby X-ray monitorNNNNS

Phase1
Target: 10 [pm]permanent skew-Q
to correct error fieldof Lambertson
additional skew-Q coils@Focusing Sextupoles

permanentskew-Q magnet@Lambertson

start optics
correction

Date

Y. Ohnishi, H. Sugimoto et al.

Renovation works for phase 2
Collision feedbacke+

QCS and related works atIRHER

LER
colliding bunches

e-Add collimators

SuperKEKB phase 2

Change injection part for
injection from DR

More mitigation for e-cloud

Injector Linac upgradel RF electron gun
l improve e+ source
l pulse magnets for top-up
injection

RF cavities for DR

DR arc section

赤井 2017年7月11日 Bファクトリー計画推進委員会

New e+ Damping RingQCS system
日光側QCS-R Cryostat

QCS-L Cryostat
QC2LP
4 correctors(a1,b1,a2,b4)

Helium Vessel

Helium Vessel

Helium Vessel

QC1RE

QC1LP
4 correctors(a1,b1,a2,b4)

4 correctors

Leak field(a1,b1,a2,a3)

b3 corrector

cancel coils(b3,b4,b5,b6)

QC2RE

IP
QC2LE
4 correctors(a1,b1,a2,b4)

QC1LE
4 correctors(a1,b1,a2,b4)

SC correctors: a1, b1, a2, a3, b3, b4
SC leak field cancel magnets: b3, b4, b5, b6

ESR2

ESR1 Solenoid

ESL solenoid

大穂側

4 correctors(a1,b1,a2,a3)

設計で使用する2極補正コイルの磁場をできる限り小さくするためにQC1,QC2にオフセットを与えている。

83 mradLeak fieldcancel coils(b3,b4,b5,b6)

QC1RP
5 correctors

b3 corrector(a1,b1,a2,a3,b4)

QC2RP
4 correctors

HER(a1,b1,a2,a3)

ESR3

Helium Vessel

LER

Belle ソレノイド磁場
QC2LE QC1LE
QC2LP QC1LP

Bz 正方向

QC1RP QC2RP
QC1RE QC2RE

Bz
日光側

N. Ohuchi, Y. Ohnishi et al.

大穂側

Positron Damping Ring

Reverse bend FODO
for short damping times
11.5/11.7/5.8 ms

M. Kikuchi et al.

Positron Damping Ring
Installation phase-4
Beam pipes (ring) and vacuum pumps
Magnets alignment (coarse)
Cooling channels for magnets

DR建設・立ち上げ調整は12月4日のビーム調整
運転開始に向けて順調に進んでいる。

DR and the extraction line

DRExt. line

Beam pipes at BT and Linac side
Installation of ECS and BCS cavities and waveguides
Installation of septums and kickers
Magnets alignment (fine)
Adjustment of power supplies
High power RF cavity conditioning
High power conditioning of ECS and BCS accelerating units

RF system tuning with cavities started in Feb. 1.

Evacuation of beam pipesArc cells of DR

M. Kikuchi, K. Akai et al.

MR各種作業（衝突点以外）_1• LER入射部、アボート部の改造– DRからの陽電子ビーム入射に変わるため、セプタムおよび近傍の機器を改造。
– ビームサイズが小さく、かつビーム電流が高くなるため、アボートを改造。

• コリメータ増強

e-Collimator system in Phase-II
NewNew
LER D02
HER D01
H4,H3,V1
H5, H4, V1

e+Vertical collimator for Phase-II– 新型コリメータのPhase 1試験結果を受け、量産5台を現在製作中、10月頃納品予定。Phase 2に必要な8台がそろう。
– コリメータ周辺の放射線遮蔽評価を受け、シールド製作を開始した。

• 電子雲対策の強化– Phase 2以降の電流増強に備えて、アークドリフト部（約1000m）への永久磁石の装着を昨年と今年で実施し赤井 2017年7月11日
Bファクトリー計画推進委員会ている。

Permanent magnets at drift space (with iron yoke)MR各種作業（衝突点以外）_2• より高い信頼性、性能向上のための、加速器ハードウェアの適切な保守・改良：特に、– 電磁石電源– 電磁石アラインメント– 大電力RFシステム、加速空洞– 冷却システム– 制御システム、など。

• Phase 2 commissioning運転のツール開発– 運転用ソフトウェア– タイミングシステム、など。

• 安全システムの改造– ダンピングリングやAR直接入射路の新規稼働に必要なKEKB安全シス
テムの改造

赤井 2017年7月11日 @Bファクトリー計画推進委員会

Schedule
Calendar year

2016

Japan FY

phase 1MR startup

2017

2018

JFY2016

JFY2017

Summer shutdown(power saving)

Summer shutdown(power saving)2019
JFY2018

Power saving
after mid July 2018

(mid Feb. – mid Jul. 2018)

w/o QCS
w/o Belle II

DR installation & startup

We are here.

w/ full Belle II

w/ QCS
w/ Belle II (no VXD)

HER start
LER start

VXD installation

DR commissioning

K. Akai

Summer shutdown(power saving)phase 3phase 2 (MR)MR renovation for phase 2, including
installation of QCS and Belle II

JFY2019

phase 3 operation
9 months / year・・・

Summary• IR– 予定通り8月末にQCSの磁場測定を完了。QCS後退。
– 今後のIR概略予定– 2017年9月〜12月上旬• Belle II グループの作業（ARICHやBEAST IIのインストール等）• QCS用ビームパイプの組み込み等– 2017年12月中旬〜2018年2月中旬• QCS前進、衝突点加速器機器の再組み込み、立上げ調整等• phase 2用の放射線シールド構築– 2018年2月中旬: MR phase 2 commissioning start– より詳細かつ正確な工程の検討を、加速器とBelle IIグループで協力して進めている。

• IR以外も、MRの各部署において、Phase 2に向けた各種改良や、今後の長期運転に向けた機器の維持・改善を順調に進めている。
• 12月4日DRビーム調整運転開始、2018年2月中旬MR
K. Akai et al.
Phase 2運転開始に向けて、現行計画に概ね沿って進行しbackup

要検討事項-キッカー、セプタム調整の具体化
キッカーは蹴り角を変えるとタイミングが変わる。
事前にできる対応策、用意すべきツールの検討。

-

アライメント結果の検討
ステアリングの定格内に収まっているか？

-

出射キッカーのタイミングジッターに起因するLINACでのビーム品質の劣化。

-

シフト体制
夜中はKCGシフトは付けない。
夜中は準夜の続き、真空焼き、LINAC調整、希望者のスタディ等に充てる。
１シフトは何人体制？
LINAC調整はどれくらい必要か？

H. Sugimoto et al.

コミッショニング
-期間: 2017年１２月４日 ~ 2018年2月中旬？(LTR,RTL調整も含む)-

まずは1バンチ、1nC、1Hzで調整を行う。

-

まずはLINACの東側ビームダンプまでビームを通すことを優先する。

-

目標平均真空圧力 = 1x10^-5Pa
柴田氏の見積りでは2nC/bunch (2bunch, 2pulse)で４日程度かかる。

-

エミッタンスカップリングの目標値 = 10%
シミュレーション上は軌道補正だけで達成できる。

-

夜中はKCGシフトは付けない。
準夜の続き、真空焼き、LINAC調整、希望者のスタディ等に充てる。

H. Sugimoto et al.

Machine Parameters of Positron Damping Ring
Parameters

UnitEnergy

1.1GeV

Circumference

135.498295

m# of bunch2# of bunch / train

2

Max. stored current

70.8mAEnergy loss per turn

0.0847MV

Damping time (τx / τy / τz)11.5 / 11.7 / 5.8

msec

Emittance (εx /εy / εz)41.5 / 2.1 / 3600nm

εy / εx5%

νx / νy8.240 / 7.265

Energy spread

0.055

%

Bunch length

6.5mm

Mom. Comp. factor

0.0141# of cells

32

Total RF voltage

1.44

MV

RF frequency

509

MHz8nC/bunch
spdr_0019.sad
M. Kikuchi
08/31/2017