入射器の現状
新規陽電子生成装置からの陽電子
K. Furukawa
for injector linac

Injector Linac Progress towards SuperKEKB

K.Furukawa, KEK, Oct.2014.

1

Linac Mission

SuperKEKB 電子加速器群における入射器の役割! 40 倍の Luminosity による実験成果のために" ナノビームによる 20 倍の衝突率# $ 低エミッタンスの入射ビーム# $ リング内の短いビーム寿命" 2 倍の蓄積電流! Linac での試練

$ Linac での低エミッタンス・低エネルギー幅のビーム$ Linac のビーム電流の増強（特に陽電子）" 震災復旧、アライメント" 低エミッタンス電子# 大電流光陰極 RF-電子銃" 低エミッタンス陽電子# ダンピングリング" 陽電子ビームの電流増強# 新しい生成捕獲部" 低エミッタンスビーム輸送# 最適なビーム光学系の開発# アライメント、安定化、高信頼性" 4+1 リングの同時入射# レーザ同期, リング周長補正! 2015 年度前半入射器本格的試運転" 多くの機器の設置・調整、３ヶ月の本格的試運転が必要

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昨年度運転統計!2013 年度の運転統計"総運転時間は 5315 時間 (先年度比 -0.3%)"故障率は 0.43% (先年度比 -0.87 ポイント)#故障率については入射器としての故障を表しており、PF・PFAR 入射に使用していない機器の故障や予備装置 を使用した時間も含まれているため、全てが実際の入射へ影響したわけではない。

"故障率についてはここ 20 年で最も良い数値#震災復旧が適切に進行して安定してきた#SuperKEKB の試験運転がまだ慎重に進められている

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運転時間と故障率の推移
KEK ,L*,

6&#)4+618000!

8!


14000!

12000!

7!





6!

5!

10000!

4!

8000!

3!

6000!
4000!

2!

2000!

1!

0!

KEKB!

TRISTAN!

1982!
1983!
1984!
1985!
1986!
1987!
1988!
1989!
1990!
1991!
1992!
1993!
1994!
1995!
1996!
1997!
1998!
1999!
2000!
2001!
2002!
2003!
2004!
2005!
2006!
2007!
2008!
2009!
2010!
2011!
2012!
2013!

PF!

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+ [%]!

&#).0/ [)]!
)6&#) [)2

16000!

0!

東日本大震災K.Furukawa, KEK, Oct.2014.

42014 年度前期運転概要! Apr.11 入射器運転立ち上げ、Apr.18 PF 入射! Apr.25 運転停止! May.7 入射器運転立ち上げ、May.9 PF/PF-AR 入射" 下流部、入射運転は順調" 上流部、主に日中は震災復旧、建設作業、準夜早朝ビーム試験運転! May.12 異臭 (発煙) 事案 2 件" 上流部のため入射運転には影響なし（後述）! Jun.30 PF/PF-AR 入射停止
! Jun.30 放射線施設検査" 電子ビーム特性解析部 (#A2)、陽電子ビームダンプ (#28)! Jul.1 夏季保守期間! Sep.24 運転準備開始! Oct.1 コンディショニングと試験運転! Oct.14 PF 入射Injector Linac Progress towards SuperKEKB

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フラックスコンセントレータ試験時のケーブル焼損! 昨年末ケーブルを 20cm 焼損した

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陽電子捕獲装置!SuperKEKB においては KEKB に比べ、4 倍以上の陽電子増倍が必要"昨年末 Flux Concentrator (FC) 試験時に Cable 焼損事
故、充分な安全対策を講じた"昨年度末から、100 m 近
くに亘る構成機器の試験が段階的に行われた"4 月に現場における高圧印加試験"5 月から一次電子の調整、標的穴を通した標的下流の電子の調整及び機器の調整

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1

SuperKEKB 向け陽電子生成
side%view
10 nC
primary e-bridge coils

DC QM spoilertargetsolenoid
primarye- beam

LAS Accel.
structuree+ positron
production
Targetbeamhole

5 nC injection e-
FluxConcentrator

pulsed STpulsed QM

FluxConcentrator
BridgeCoils

6*, 73!(6DH@;=<K>KAJM?-(FC) 43-S-band %-(LAS)
%589 Satellite bunch (Beam loss)  (3.5mm) 6, $'CKEMI (2mm)"BMG=F:H
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e+ beamK.Furukawa, KEK, Oct.2014.

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Flux Concentrator (FC)T.Kamitani! 外周の一次コイルにパルス電流を流して導体内に誘導電流を発生させると、磁束(flux)が開口部内に圧縮(concentrate)され強いソレノイド磁場ができる。
FClengthouter diameter
inner diameter(min.)
inner diameter(max.)
peak current
pulse widthparameters
100 mm
100 mm7 mm

peak fieldinductance

3.5 T
1.0 µH52 mm
12 kA
6 µs (half-sine)

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10陽電子生成標的! 標的材料
タングステン 14 mm長 (= 4.0 X0)! タングステンと銅の胴体はHIP加工で接合

T.Kamitani

標的

ビーム通過孔flux
concentrator
returnyoketungstenbeam hole
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標的内の熱分布
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標的破壊防止用 Beam spoiler

3m distancetargetscreen & scatterer% target上でのbeam spot sizeを

σx ,σy> 0.7 mm に拡げてpeak energy
密度を下げ、破壊を防ぐ
primary e% スクリーン兼用 Al2O3 板
injection hole
(0.14 mm thick)e- beam+ Al 散乱板 (0.25 mm thick)spot size[総物質量 = 0.05 X0]
camera% spoiler上にも beam hole 有り
Front

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T.Kamitani

e+holeRear

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陽電子捕獲部 (e+ capture section)
SLED

SLED
FC:
FL_15_T
BC:
FC_15_T

T.Kamitani

KLY
1-5Solenoids: FC_15_11
LAS 10 MV/m [SLED off]

減速位相capture &RF位相スリップ &加速位相に乗る

KLY
1-6LAS加速管

Solenoids: FC_16_21
LAS 12 MV/m [SLED on]
加速位相DC solenoid

LAS : Large Aperture
S-band 加速管

開口直径30mm：通常の 1.5倍
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加速管
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陽電子捕獲部@Linacトンネル
この中にFC、標的ブリッジコイルが収められている。

T.Kamitani

DCソレノイド

2014年4月に陽電子捕獲部をビームラインの設置し、5月より陽電子のコミッショニングを開始した。
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電子陽電子セパレータ

T.Kamitani

bendingmagnet
陽電子ビーム

二次電子ビーム

入射電子ビーム

二次電子ストッパーブロック% FCの広いアクセプタンスのため捕獲部の出口まで、陽電子とほぼ等量の二次電子がやってくる% ビーム位置モニターの信号が電子と陽電子で混ざってしまい正しい情報が得られない% 二次電子はシケイン中のストッパブロックで止め、陽電子のみ通す。
% 入射電子ビームは真ん中を通る。
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Qマグネット収束系

T.Kamitani

64mの領域にわたって、加速管のレイアウトを変更しQマグネットを増設してアクセプタンスを拡張した。
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新陽電子捕獲装置からの初めての陽電子観測!一次電子を標的に向け軌道・角度等の調整!さらに、マイクロ波・収束・タイミングの調整!6 月 5 日に初めての陽電子の信号を確認!6 月 6 日に予定した SY2 のビームダンプで確認!事前シミュレーションと矛盾しない陽電子!一次電子を 17 倍、最終版電源による捕獲効率 2.5 倍とし、2015-16 年に設計値を達成する予定
Signal from positron
Signal fromprimary electron

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with opposite polarity

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新陽電子捕獲装置からの初めての陽電子観測! Generated positron ~0.1nC wastransferred to the entrance ofdamping ring
! With higher magnetic and electricfield, 4-nC positron will begenerated! Target shield(40cm x 6m long)
Beam position
will be finalized
Horizontal! Alignment will be
Vertical
improved
3mm $ 0.1mm
Beam charge

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Large
Flux
concentrator
aperture S-bandand structure
beforefollowingsolenoidsolenoid/quad& quad installation

400 m~0.1 nCPositron
Primary Electron
W target
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T.Kamitani(1) FC current

FC currentがzeroでもある程度のyieldがある

6kAより大きな電流値でもまだsaturationせずに順調に伸びていくと期待される新型電源では12kAまで上がる予定。
snubber回路無しではさらに上がる可能性あり。

FCでの実電流値は1.07倍
plot上の6kA => 6.42 kA

CT測定値
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(2) Bridge Coil current

T.Kamitani[1] 650A以上ではほぼ一定。
電源最大値は750A。現在はケーブルの発熱より600A以下で運転している
なお、FC currentに比べて最大到達値が低いのは、このデータの方が早い時期に取られたがその後チューニングによりyieldが向上したためである。
[2] zero currentではyieldが低い。

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(3) DC solenoid 1-5 current

T.Kamitani

Yieldがややsaturationの傾向？
FC currentが高くなるとこれももっと向上するかもしれない
本来の電源最大値は650Aであるが電力系の制約より370A以下で運転している。2014年秋以降改善予定

現在のBPMでは0.02nC以下はbackgroundに埋もれて測れないのでyieldも0.06以下はfakeのゲタ。

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(4) DC solenoid 1-6 current

T.Kamitani

320A付近がoptimumでそれより上では悪化する
FC currentが高くなるとこれももっと向上するかもしれない
本来の電源最大値は650Aであるが電力系の制約より370A以下で運転している。2014年秋以降改善予定

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T.Kamitani(5) e+ RF phase [1-5と1-6の位相関係は固定]

FCの広いアクセプタンスのおかげで減速捕獲でもほぼ同じ収量が得られる。
減速捕獲の方が陽電子のバンチ長、エネルギー広がりが小さい。
減速捕獲

加速捕獲

測定値

simulation

シミュレーションに比べて絶対値にはすこしズレがあるが位相依存性についてはよく再現されている。

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(6) Acc-field grad./phase at 1-5

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T.Kamitani

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(6-2) Acc-field grad. [MV/m] at 1-5

T.KamitaniSLED を使用し、14MV/m 程度まで向上する予定

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陽電子生成T.Kamitani

1) SuperKEKB陽電子源は2014年4月に設置された。
（ビームラインの改造はすでに2013年夏より開始していた。）(陽電子生成標的、ビームスポイラ、Flux Concentrator, ブリッジコイル、LAS加速管[6本]、DCソレノイド流用[16台+新設13台]、電子陽電子セパレータ、Qマグネット[新設約90台])

2) 陽電子ビームのコミッショニングを開始し、SuperKEKB向けの改造後としては初めての陽電子を観測した。まだ陽電子の電荷量、収量ともに低いが、さらなる性能向上が期待される。
一次電子 [nC]

陽電子 [nC]

2014年6月
達成値

0.60.12

設計仕様値

10.0

@標的直前

@DRへの分岐点x175.0

主なコンポーネントの達成値と仕様値@DRへの分岐点FC 6.4kA, ソレノイド 370A
Acc field 10, 12 MV/m

20 %x42DR入射3)

陽電子収量

50 %
4.0 DR入射x2.5 FC 12kA, ソレノイド 650 A
Acc field 14, 12 MV/m

40%

2014年10月〜12月：Linac コミッショニング
2015年1月〜3月：改造工事、4月〜6月：Linac コミッショニング
2015年7月〜9月：改造工事、10月〜 ：LER入射開始

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光陰極 RF 電子銃

Cascaded frequency doublers
Yb fiber and Yb:YAG think disk laser

Quasi traveling wave side couple cavity

Ir5CeCathodeIr5Ce photo cathode
Injector Linac Progress towards SuperKEKB! 5.6 nC / bunch was confirmed! Next step: 50-Hz beam generation &Radiation control
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光陰極 RF 電子銃の改造!大電流・低エミッタンスビームの生成!新しい光陰極 Ir5Ce 及び新しい空胴 QTWSC が成功!これまでの 2 ~ 5 Hz では基本性能達成が近い!50 Hz での性能および安定度達成が期待される!レーザーは複数種類の増幅段から構成!媒体の発熱により再生増幅器の利用は困難、装置を取り外し、マルチパス増幅器追加し、これまでの 5 Hz の繰り返しから、25 Hz の繰り返しに向上させて、次項の施設検査に対応
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Alignment!架台の柔構造を改め、中央固定、ジャッキボルト化を進めている!Quad や加速管に測定座を取り付け!500m 直線 Laser と位置 Sensor による繰り返し計測、ずれ 0.3mm 程度を達成しつつある!10m Unit 内は Laser tracker による計測で、ずれ 0.1mm 程度を達成しつつある!長期的には、部分的な遠隔 (運転中) 測定、Mover付き架台、を開発中
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Instrumentation!RF stability is crucial for the beam
"LLRF monitor is being developed"60 high-power klystrons and 10 middle-power systems"50Hz synchronized data acquisition with event (beammode) recognition"0.1% amplitude and0.1degree phase resolution!BPM precision improvement"100μm $ 50μm $ < 10μm"Event recognition"Mass production is underway!Other beam monitors
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SuperKEKB に向けた段階的な施設検査!電子銃直後の #A2 ビーム特性解析部"現在 RF 電子銃の最大電流で検査 (申請値 1250nC 2bunch
50Hz)!ダンピングリングへの分岐部の #28 ビームダンプ"現在の一次電子の電流制限値 0.7nC で、0.1nC の陽電子を導き検査"いずれも予定よりも少ない電流値での検査になったが、放射線管理に対応していただいた!さらに陽電子生成部の放射線量評価"今後の遮蔽追加の際に計算が容易になり、遮蔽厚さを最適化できる!いずれも合格をいただいた
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電力節約の試み! 大電力パルス電源の繰り返しも50 Hz として運転してきた! 電源の安定度を考慮し、これまでは電源繰り返しの 50 Hz からの変更を考えることはほとんどなかった! ビームはいつも 50 Hz で供給するわけではなくある意味無駄! 最近の電力料金の高騰により、少しでも電力削減を行うことが好ましい! 3 月の停止時にイベント・タイミング制御装置のソフトウェアを変更、50 Hz 未満のパルス電源運転に対応できるように改造! 各電源装置の動作点の変更調整も行ったところ、25 Hz の運転によって、0.7 MW の電力使用量削減に成功! PF や PF-AR は当面 50 Hz の入射は行わないため、25 Hz の運転を継続
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5 月 12 日発熱事案 2 件! 日中、第 2 スイッチヤード (SY2) で異臭とうっすらとした発煙が有り、試験中の SY2 の電源を停止し調査したところ、偏光電磁石 BM_28_4 (BC1E.2) のコイルが発熱! コイル交換予定、今後業者との連絡に注意を払う必要! 準夜、A セクター部で異臭とうっすらとした発煙が有り、A, Bセクターの電源を停止した上で調査したところ、約 30 分後に大電力クライストロン KL_A2 のパルス電源のデスパイカーという素子の発熱を発見! 経年変化による障害、同じロットは交換済み

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RF-Gun e- beamcommissioning
at A,B-sector
Qe- = 5nC

Linac Schedule Overview

e- commiss.
at A,B,J,C,1
Qe- = 5nC

e+ commiss.
at 1,2 Qe+ = 0.5nC (FC, DCS, Qe- 50%)e- commiss.
at 1,2,3,4,5 Qe- = 5nC

1 nC: Electron: Positron: Low current electron

Injector Linac Progress towards SuperKEKB

non damped e+ commiss.
at 1,2, 3,4,5 sectors
e- commiss. at A→5 sectors

4 nC

2 nC

damped e+ commiss.
at 1→5 Qe+ = 1~4nC
e- commiss.
at A→5 Qe- = 1~5nC

PF-AR ecommiss.

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Plan C2�Injector Linac Progress towards SuperKEKB

Physics Run with full TOP
starts in 2017 autumn.
Belle II roll in only once.

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RF-Gun e- beamcommissioning
at A,B-sector
Qe- = 5nC

Linac Schedule Overview

e- commiss.
at A,B,J,C,1
Qe- = 5nC

e+ commiss.
at 1,2 Qe+ = 0.5nC (FC, DCS, Qe- 50%)e- commiss.
at 1,2,3,4,5 Qe- = 5nC

1 nC: Electron: Positron: Low current electron

Injector Linac Progress towards SuperKEKB

non damped e+ commiss.
at 1,2, 3,4,5 sectors
e- commiss. at A→5 sectors

4 nC

2 nC

damped e+ commiss.
at 1→5 Qe+ = 1~4nC
e- commiss.
at A→5 Qe- = 1~5nC

PF-AR ecommiss.

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Summary!Steady progress towards first MR injection in 2015
!Will finish earthquake disaster recovery in 2014
!Will make staged improvements before 2017
!Will balance between final beam quality andstable/staged operation!Will select optimized route depending on available
resources

Injector Linac Progress towards SuperKEKB

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36

Injector Linac Progress towards SuperKEKB

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Emittance Preservation!Offset injection may solve the issue!Orbit have to be maintained precisely
Mis-alignment leads to Emittance blow-up

Orbit manipulation compensates it

100 samples
Sugimoto et al.
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Energy profiles and beam propertiesB

1.5 GeV e-C

10 nC x 2 (for LER)
5 nC x 2 (for HER)
0.3 nC x 1 (for AR)
0.3 nC x 1 (for PF) low emittance
1.1 GeVRF gun

A

1

2

e+#target#

same%energyDR& e-/e+ beams are delivered to 4-rings withdifferent current & energy.
& Beam%accelera;on%modes%must%be%switched%by%
50%Hz%pulseDbyDpulse%for%topDup%injec;on.

345e(:Chicane

4.219#GeV#e-Decelerate

1.1 GeV

e+#target# e+

HER:%7%GeV%eD%%
5%nC%x2
AR:%6.5%GeV%eD
0.3%nC%x1
LER:%2.5%GeV%e+
4%nC%x2
PF:%2.5%GeV%eD
0.3%nC%x1

1.5#GeV#C

1

2

3

4

5

Beam optics should satisfy the fast beam-mode switching.
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Pulse-to-pulse modulation! Four PPM virtual accelerators
for SuperKEKB projectmaybe withadditional PPM VAs
for stealth beammeasurements
based onDual-tier controls withEPICS and event-system

Event-based
Control System

Every
20 ms

F.B
e− GunARC

F.B

PF Injectione– (2.5GeV, 0.2nC)

F.B
e− GunARC

Damping ring

SuperKEKB-LER Injection

F.B

e– (3.5GeV, 10nC)

F.B

e+ Targete+ (4GeV, 4nC)

e− GunARC

SuperKEKB-HER Injection

F.B

e– (7GeV, 5nC)
e− GunARC

F.B

PF-AR Injection

F.B
e– (6.5GeV, 5nC)

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