SuperKEKB 国内レビュー
2017.09.08
入射部GSuperKEKBでの入射ビーム
SuperKEKBにおける入射ビームパラメーター

KEKB obtained(e+ / e-)SuperKEKB
required (e+ / e-)

Beam energy

3.5 GeV / 8.0 GeV

4.0 GeV / 7.0 GeV

Bunch chargee- à
e+ / e10 à 1.0 nC / 1.0 nC

e- à e+ / e10 à 4.0 nC / 4.0 nC

Beam emittance(ge)[1s]

2100 µm / 300 µm

6 µm / 20 µm

RF電子銃 4 nC 10 mm-mrad
ビーム伝搬 + 10mm-mrad エミッタンス増加が許容
Quasi –travelling side couple RF-Gun(Yb-fiber and Nd/Yb solid laser system)B
J-ARCA 10ps

30ps

Cut Disk Structure RF-GunC12

DAW RF電子銃による試験 (地震後)(Nd laser system => Yb-fiber & Nd:YAG)

345

SバンドRF電子銃による 5 nC 生成
20– 比較的低いRF電界 : < 100MV/m• 集束力が必要

emittance(SC)_x@5nC&90MV/m

16Emittance (mm mrad)• 空間電荷が主=> 15-25 ps のパルス幅が必要• 長期の安定運転

emittance(RF)_x@5nC&90MV/m

18emittance(total)_x@5nC&90MV/m

1412108Total

64Space charge
RF2001020

30

Tlaser (ps)

– RF電子銃からのビームをソレノイド集束でエミッタンス補償するは条件が難しい– RF電界による集束力を用いる.
軸上結合空洞 : 例 BNLタイプ
軸外結合空洞 : Disk and washer / Side couple 等

4050

エネルギー分散
Longitudinal wakefield と RF の位相の最適値からのエネルギー分散
15nC

3t
2.55nC 10nC

20nC

GaussianσE/E (%)

21.51tSquare0.5

要求値(0.1 %)

5nC
10nC
15nC
20nC

005105nC electron

15FWHM (ps)20253015nC
Primary beam for positron production

S-band RF-Gun の開発• 空洞 : 電界による集束力を利用したRF電子銃– Disk And Washer (DAW)=> 3-2– Quasi Traveling Wave Side Couple=> A-1 0度ライン– Cut Disk Structure=> A-1 90度ライン=>垂直レーザー入射による水平エミッタンスの低減• カソード : 長期安定性– 長寿命で中間の量子効率 (QE=10-4～10-3 @266nm)– 固体カソード(薄膜でない) => 金属間化合物が有力=> 当初 LaB6 を採用したが短寿命=> IrCe が非常に長寿命かつ QE>10-4 @266nm• レーザー : 長期運転かつ、Phase-IIIでは時間構造の制御– フロントエンドには Ybファイバーレーザーを使用– LD励起の固体レーザー増幅器• Phase-II 用 Nd:YAG 増幅器=> A-1 地上レーザー• Phase-III用 Yb:YAG Thin Disk 増幅器=> A-1 地下レーザー=> 時間構造の制御 => エネルギー分散の低減

電子入射系

入射部
陽電子生成用 10 nC

70 MeVAcc.tube

buncher

prebuncher

SHB2

10 psec

Acc.tube

パルスマグネットに変更(2017.10～)

2 nC (Phase-II)
4 nC (Phase-III)QTW RF gun

CDS RF gun

30 MeV
Bunch
compression 15～25 psec

ThermionicDC gun

地上レーザーハット(Yb:Fiber + Nd:YAG)

Energy slope
Chicane

SHB1

レーザー
垂直入射

地下レーザーハット(Yb:YAG)0 度ライン QTW RF gun
QTW RF gun

0 deg injection

CDS RF gun
IrCe
Cathode90 度ライン CDS RF gun

Thermionic gun

Primary RF gun

New secondary RF gun※CDSはカソード交換時のトラブルにより、QTWへの置き換えの可能性有SuperKEKB HER (electron) Phase-I injection at 2016/6

GR_A1 (QTW RF-Gun)
レーザーは地下の Yb:YAG ディスクレーザー

GU_AT (Thermal Electron Gun)

Current(blue)：2016/06/10 02:01、GR_A1 KEKB HER e- injection
Ref(green)：2016/05/21 03:26、GU_AT KEKB HER e- injection

Current(blue)：2016/05/30 16:43、GU_AT KEKB HER e- injection
Ref(green)：2016/05/21 03:26、GU_AT KEKB HER e- injection

GR_A1 KEKB HER e- injection

GU_AT KEKB HER e- injection

0 度ライン QTW RF gun(レーザー斜め入射)

春の運転

レーザー : 地上の Yb:Fiber + Nd:YAG 増幅器

２バンチ運転18.9 psec (FWHM 10 shots)
90 度ライン CDS RF gun(レーザー垂直入射)２バンチ運転11.68 ps (FWHM 10 shots)

春の運転状況

1.57 +/-0.032 nC

0度ライン QTW

・運転期間：17/04/14 ～ 17/04/27
・SP_A1_G 最大電荷量：2.14nC(Nd再生増幅器使用時 25ps) / 1.7 nC (Nd増幅器 17ps)
90度ライン CDS

・運転期間：17/05/06 ～ 17/05/15
・SP_A1_0 最大電荷量：0.58nC

エミッタンス測定結果まとめ
A1_C2_0 Q scan
@ 1.25 nC

Q scan法エミッタンス
測定結果
Horizontal

A1_C2_0
A1_M
Q scanA4_4(OFF chicane)
A4_4(ON chicane)
R0_D3
B sector
Wire scanner
C sector

Vertical

x
22.96
22.25
45.64
47.67
43.17
1.69
67.7

error
0.88
0.426
10.17
52.9
2.42
66.1
789.2

y11.38
59.35
111.9
73.64
101.67
59.61
104.5

error
7.8826.53
21.2286.54
50.69
24.72
85.4

電荷量とエミッタンス
Charge(nC)

Emittance H/V(mm・mrad)

Phase-II Design

2150 (LINAC end)

Phase-III Design

420 / 20 (LINAC end)

QTW + Yb:YAG

5.6(50ps?)

28.3 / 26.4 (1.8 nC, 30ps)

QTW + Nd:YAG

2.2(25ps), 1.6(17ps)

23 / 11 (1 nC)

CDS + Nd:YAG

0.6 (17ps)

22 / 12 (0.5nC)

電荷量、エミッタンス共に、カソード上での不均一性が制限している
レーザーのプロファイルとカソードのQEの均一性の改善が重要
またエミッタンスに関しては、測定方法の検討が必要（Qスキャンでは最小のビームサイズの測定が課題）

RF電子銃空洞

Pill-box cavity

Annular coupled cavity with nose

Accelerating field

Accelerating field
加速電場ビーム
Beam

Beam

Field

Ez, Er/ r

Ez, Er/ r=> 集束力
Field
Focussing fieldz

Ez, Er/ r

Accelerating field

Focussing
field
Given forcez

Focussingfield

Accelerating fieldEz, Er/ r

Accelerating fieldz

Accelerating field

Given forcez

Focussing
field

15

Design of a quasi traveling wave side couple RF gun
Normal side couple structure

Quasi traveling wave sidecouple structureLong drift space is problem.

Quasi traveling wave side couple has stronger focusing andaccelerated gradient than DAW.

RF-Gun comparison
Quasi traveling wave side couple RF gun(100 MV/m, 6mm-mrad, 13.5 MeV)
DAW-type RF gun(90 MV/m, 5 mm-mrad, 3.2 MeV)
BNL-type RF gun(120 MV/m, 11.0 mm-mrad, 5.5 MeV)
Cut disk structure

BNL (3.8 mm)
DAW (1.7 mm)
QTW (0.2 mm)

Beam SizeQuasi traveling wave side couple RF gun

cathodebeam

coupling cavities

acceleratingcavity

No reflection to klystron90度ライン 垂直入射用の RF電子銃

Cut Disk Structure(CDS)

RF電子銃空洞からの反射• QTWは水温を 60℃にして運転中• VSWR のインターロックを 1.6 に上げて運転中
カソードの熱コンタクトの改善(現在カソード交換中)
将来的に RF空洞の改良
クライストロンへの反射

0度ライン QTWからの反射

90度ライン CDSからの反射

IrCe カソード

カソード : 金属間化合物 (LaB6 or Ir5Ce )• 十分な QE (10-4)• 大気中でも安定• 加熱またはレーザー
クリーニングによる回復

900

IrCe
LaB6600
300
00.01
12000
11000
10000

0.51

1.01

1.51

2.01

SEM-EDX

0102030
Lifetime (hour)

4050

CKa

4000
2000

4.01

4.51

0.50

1.00

1.50

IrMr

5000

IrMz

6000

CeMa
OKsumFKa

7000

CKsum OKaCounts

10-5

3.51

Ir5CeCarbon

8000

3000

3.01

keV

9000

パルスレーザー 200μJ@266nm, 10Hz=> 2.5 nC emission

2.51

CeLa

10IrMa-4 QE

Oxigen
OKsum

1200

LaMz

CKa

1500

LaMa

Counts

1800

CKsum OKa

BKa

2100

LaB6
SEM-EDX

LaLa

Carbon2700
2400

SuperKEKB 5 nC
長期運転に最適

1000
00.00

2.00

2.50
keV

3.00

3.50

4.00

4.50

No oxidization is observed

5.00

フォトカソード材料に関して【イリジウムセリウム化合物】
融点> 1900 ℃

仕事関数

2.57 eV

利点①

大気中で安定利点②

イオン衝撃に高耐性

利点③

表面汚染に高耐性【カソード材料の改善点】

表面に量子効率の空間分布有り→ ビーム品質の悪化につながる【光電子放出特性】••

量子効率@266nm,RT : 1.54×10-4
1/e寿命: > 2 year (A1 RF gun)

【要素技術開発の方向性】• 単晶で晶析 → 単結晶成長• 高量子効率化

23フォトカソード材料の開発状況（多結晶）【成分組成の最適化】
高量子効率化を目指して、IrとCeの成分組成の最適化を実施。

【材料開発について】• 神戸大学・菅原氏のご協力で新組成の材料開発を実施。
• 小型テトラアーク炉を用いたアーク溶解を用いた製造方法を採用。

【量子効率測定結果】(1) これまで製作の組成 ： Ir5Ce, Ir7Ce2(2) 新たに製作の組成 : Ir3Ce , Ir2Ce（セリウムリッチ組成）

Material

QE@266nm

Ir5Ce

1.87×10-4

Ir7Ce2

2.24×10-4

Ir3Ce

2.89×10-4

Ir2Ce

3.87×10-4

Ce比率が多くなるにつれて、量子効率が向上→ Ir2Ceが最大の量子効率。
• Ir2Ceの表面状態を分析中• Ir2Ceの寿命測定実施中
24

フォトカソード材料の開発状況（単結神戸大学・菅原氏のご協力を得て、チョクラルスキー法による晶）
IrCe単結晶引き上げ試験を実施【単結晶成長過程】【単結晶IrCe】【今後の研究開発方針】• 結晶表面の量子効率の空間分布測定• RF電子銃で利用可能な大口径単結晶の製作• 量子効率が最大となる結晶方位の同定
25

Phase II 運転に向けて【多結晶Ir7Ce2材】【多結晶Ir2Ce材】＊QTWSC-gunでの使用母材
利点

利点• 1/e寿命が2年以上• RF gunでの運用実績（多）• 高量子効率 ： 3.87 ×10-4

問題点
問題点• 多少量子効率の空間分布有り→
ビーム品質に影響• 劈開性による加工の困難さ→ カソードロッドへの冷やしバメ
加工困難• 1/e寿命が未知【カソード材料の選択】
Phase IIでは、目標電荷量が少ないため空間電荷効果の影響小→ 電子ビームをRF-gunから長期安定供給できることを最優先。
十分な運用実績があるIr7Ce2を採用。Ir2Ceはローカル測定を徹底する予定。
26

A1レーザー関連

RF電子銃用レーザーシステム• IrCe カソード用のパルスエネルギー– 500 µJ @ 266nm × 50 Hz, 2バンチ (96ns間隔)• Phase-II 2nC 向け (2017.10～)– 位置安定度 / プロファイルの改善• レーザーの光路の真空ダクトの改善• 結晶の交換 / 再調整• 大口径増幅モジュールの使用 (２列目)• モニター系の増強 (結晶のダメージ等)– 長期運転のための ２重化• 発振器 : 商用発振器(MENLO x 2(1台は12月～))と自作発振器• 増幅器 : ２列のNd:YAG の増幅器
(2列目に VCSEL タイプの長寿命LDを採用)• Phase-III 5nC 時間構造制御– Yb ディスクレーザー– Chirped Pulse Amplification の導入

Properties of laser medium
Nd-doped

τ～200μs, 40%○ ４準位レーザーで閾値が低い○ 808nm 高出力LDが利用可○ 大型結晶も製造可能
× 狭帯域 → 波形制御は不可能

LD PumpSHG(532nm) 40%
FHG(266nm) 20%
5HG(213nm) 3%

Nd:YVO4
Nd:YAG(808nm)

808nm

1064nm

A-1 地上レーザーハット

Yb-doped
τ～900μs, 40%
Yb-glass
Yb:YAG(941/976nm)
Yb:BOYS
941/976nm

LD PumpPump(808nm)

A-1 地下レーザーハット

τ～3μs, 40%
40%

Nd:YAG
SHG
808nm
1064nm

Ti:Sapphire
532nm○ 超広帯域○ 非常に高いダメージ閾値
TWレーザーは Ti-Sapphire× クロスセクションが小さい
× 短い蛍光寿命 => Qスイッチレーザーが励起に必要

800nm
Fluorescence

Ti-doped Pump τ=200μs, 40%

SHG(520nm) 40%
FHG(260nm) 20%
5HG(208nm) 3%
1040nmAbsorption○ 広帯域 => 波形制御が可能○ 長い蛍光寿命 => 高出力化
○ ファイバーレーザーの安定性○ 量子効率が高い
× ASE が起きる
× ３準位で閾値が高い=> ディスクレーザー

SHG(400nm) 40%
THG(266nm) 20%
FHG(200nm) 10%
Material

Nd:YAGY b:Y A G

Ti:Sapphire

Wavelength

1064nm1030nm

660-1100nm

Fluorescent time

230ms

960m s

3.2ms

Spectral width

0.67nm

9.5nm

440nm

Fourier minimum
Pulse width
Wavelength

2.48ps

165fs

2.59fs807.5nm

941nm

488nm

Spectral width

1.5nm

21nm

200nm

Quantum efficiency

76%

91%

55%

Nd:YAGレーザーシステム (A-1地上) の発振器 / 増幅器 ２重化
Menlo oscillator(Commercial)

1064nmgeneration(SPM effect)

λ:1015〜1055nm

1064nmoscillator(ANDi type)
Menlo oscillator(Commercial 12月)
λ:1025〜1065nm

Repetition
frequency
114.24MHz

MEMSswitch

Wavelength selection
Center:1064nm
FWHM:0.5nm

Grating stretcher(Transmission)

Repetition frequency 125Hz

EO module
pulse picker

SHG

Yb single mode
fiber amp

SHG
FHG

2pass

SOA pulse picker
Yb single mode
fiber amp

Nd:YAG
amplifierLine

Nd:YAGDPSS amplifier
φ2mm

Repetition frequency
10.38 MHz

Single or Double Bunch

Nd:YAGselection
DPSS amplifier
Pockels cells
φ2mm
2pass

ASE rejection
grating pair

2ndNd:YAGamplifier
LineRF GUN
Nd:YAGDPSS amplifier
φ4mm2pass

Nd:YAGDPSS amplifier
φ4mm
2pass

既存の MENLO 発振器→1064nm 生成
Self Phase Modulation (SPM)
Menlo oscillator(Commercial)
λ:1015〜1055nm

Grating pair
(Dispersioncompensation)

Band pass filter

YDFA

Self Phase Modulation (SPM)
を
Yb-Fiber中で起こしつつつ増幅

1064nm2倍波でのレーザーのビーム特性
ビームプロファイル(現在)ANDi
Oscillator

Pulse width:~17 psビームプロファイル(春運転時)
MENLO + SPM

Pulse width:~15 psVCSELタイプの Nd:YAG DPSS Moduleへの置換

VCSEL タイプの LD の特徴- 温度変化による影響が LD bar の 1/5- 超長寿命(20G shot ⇔ 従来のLD bar は1G shot)- 狭帯域(1nm幅)で Nd の808nm 励起にフィットプロファイル改善のための空間フィルター

Phase-III 用 Yb:YAG レーザーYb:YAG ディスクレーザー増幅器
Yb:YAG結晶のインジウム接合

マルチパスによる高ゲイン増幅

Yb:YAG 室温接合 (中央大学の協力)

4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
01020

10-15pass

1pass

gain13

gain

1025

1030

1035

Wavelength (nm)1040

Yb:YAG ディスクレーザー増幅器(冷却最終段)
冷却の効果• 準３準位の吸収の低減• 熱伝導率が向上• 屈折率の温度依存性が低減=> 増幅率の向上 熱レンズの抑制

Schedule• Phase-II– A-1 地上レーザー• ２重化されたレーザー : 発振器 / Nd増幅器• 空間プロファイルの改善 / 光伝送系の改善– カソードの量子効率の均一化• Phase-III

GR_32

RF-GunBeamline
Cathode
Laser
Comissioning

SuperKEKB
InjectionRF-Gun
Beamline
Cathode
Laser
Comissioning

GR_A1– A-1 地下の Yb:YAG ディスクレーザー=> 高出力 / 時間構造制御
FY2011Q2 Q3

2012 FY2012
Q4 Q1 Q2 Q3
DAW

Ir5Ce

LaB6
Nd Laser1Q4

2013 FY2013
Q1 Q2 Q3

Q42014 FY2014
Q1 Q2 Q3Q4

2015 FY2015
Q1 Q2 Q3

Q4

2016 FY2016
Q1 Q2 Q3Q42017 FY2017
Q1 Q2 Q3Q42018 FY2018
Q1 Q2 Q3Q4

2019
Q1Ir5CeNd Laser2

DAW
Ir5Ce
Yb Laser1 5Hz

Yb-Fiber+Nd:YAG

SC-QTW
Chicane
Ir5Ce
25Hz

Phase-1
Phase-2
Phase-3SC-QTW2

CDS with 90deg ARC

New IrCe cathodeYb Laser (underground)
Thermal Gun

QE improvement
Nd Amplifier (50Hz)
Yb Laser3(Cryogenic)

1nC injection
2nC low emittance
4nC low emittanceDesignDevelopment
Installation
Operation

今後の開発項目• Phase-II– 電荷量、エミッタンスの改善• レーザープロファイルの改善• カソードの量子効率の均一化– 長期安定性• 新規に導入したレーザー光路の評価• RF空洞の改良 (カソードの熱コンタクト、空洞の改良)• Phase-III– レーザーの時間構造制御(CBG による伸長 / 圧縮 + 波長分布制御方法)