SuperKEKB 用 RF gun の開発状況
RF GUN DEVELOPMENT FOR SUPERKEKB
夏井拓也#，吉田光宏，周翔宇，張叡，佐藤大輔
Takuya Natsui#, Mitsuhiro Yoshida, Xiangyu Zhou, Rui Zhang, Daisuke SatohHigh Energy Accelerator Research Organization (KEK/SOKENDAI)

Abstract
The injector linac of KEK is being upgraded for SuperKEKB. High-charge low-emittance electron and positron
beams are required for SuperKEKB. The required injection electron beam parameters are 7.0 GeV at 5 nC 20 mm-mrad.
A thermal cathode DC gun had been used for KEKB. However the DC gun could not make low-emittance beam. Thus
low-emittance new RF gun is being developed. We are developing an advanced RF gun which has two side coupled
standing wave field. We call it quasi-traveling wave side couple RF gun. This gun has a strong focusing field at thecathode and the acceleration field distribution also has a focusing effect. This RF gun had been installed KEK linac. Inaddition another RF gun was installed to 90 deg injection line. These guns have been used for electron beam study.
生の試験は可能であったものの 5 nC のスペースチャー
ジによる発散力に対する集束電場はまだ弱く，更に強い
現在，KEK では SuperKEKB に向けた加速器全体 集束電場を発生させるような RF gun が必要であることがのアップグレードが行われている．SuperKEKB では わかった．そこで，サイドカップル空洞を軸上に２つ配置非常に高いルミノシティを得るための低エミッタン した擬似進行波型と呼ばれる空洞を新たに開発した[3]．
今年 2016 年２月から６月にかけて，Phase 1 と呼ばれス化によりダイナミックアパーチャーの減少とビーる
SuperKEKB コミッショニングが行われた．このコミッ
ム寿命の減少が起こる．これに対応して，電子陽電ショニングではHER リングに 7 GeV 電子ビーム 1 nC,子入射器は高電荷・低エミッタンス化が求められる．
LER
リングに4GeV 陽電子ビーム 1 nC の入射ビームがKEKB と同様に電子陽電子ともに２バンチ運転でリ要求される．ただし，エミッタンスに関してはKEKB と同ングに入射するが，表１に示すように SuperKEKB等程度の要求であった．RFgunだけでは，陽電子ビー
では大幅なビームパラメータのアップグレードが必要になる． 陽電子ビームの低エミッタンス化に向 ムのプライマリービームに対する電荷不足 と安定性のけては新たにダンピングリングの建設が進められて 不安があったので，熱電子銃による運転と併用してリンいる．しかし，電子ビームはダンピングリング無し グ入射と RF gun コミッショニングを進めていくこととなっで 20 mm-mrad という低エミッタンスをバンチあた た．これは入射部を２階建て構造として，１階部分に RFり 5 nC という高電荷ビームで実現しなくていけな gun のラインをつくり，その上，２階部分を熱電子銃のラインとした．熱電子銃のラインはバンチャーと加速管２本い．
を通り，１階部分に合流する．また，2017 年春のメンテナ
Table 1: The required injection beam parameters
ンス期間中に Cut disk structure (CDS)の空洞を採用した
KEKBSuperKEKB
RF gun も試験するために Linac ビームラインとは 90 度(e+/e-)(e+/e-)
方向にも新たに入射ラインをつくり二種類の RF gun をCharge [nC]
1/14/5運転できる体制にした[1,2]．
Emittance
2100 / 300
20 / 20[mm-mrad]1.

はじめにKEKB では熱カソード DC gun が電子源として使用されてきたが，ダンピングリング無しで 20 mm-mrad 5 nC という高電荷低エミッタンスを達成するのは非常に困難である．したがって，SuperKEKB ではフォトカソード S-band
RF gun を使用することになった．しかしながら通常使用される 1.5 cell on-axis coupling の RF gun では 1 nC 程度の電荷発生が限度であり，全く新しい RF gun の開発が必要になった．そこで，Disk and Washer (DAW) 型やサイドカップル型の軸外結合の空洞を検討した．DAW型の RF gun はすでに開発，試験を終えている．この RFgun の試験を通して狭い加速ギャップによるビーム集束の効果や Ir5Ce のカソードの量子効率などを確認することができた．
DAW 型の RF gun では，ある程度の高電荷ビーム発___________________________________________# takuya.natsui@kek.jp

2.

RF gun study

2.1

レーザシステムについて

レーザ開発においては SuperKEKB Phase-II と PhaseIII に向けたシステムでは，別々のシステムを採用していく．KEK 入射器では時間方向パルス形状整形を目指し，広帯域波長を持った Yb:YAG 結晶を使ったのレーザの開発を目指してきた[3,4]．しかし，安定したレーザパルス発生には至っていない現状がある．そこで，Phase-II では狭帯域で時間方向整形はできないが，比較的製作が容易な Nd:YAG 結晶アンプを使ったレーザを使用することとなった．構成は Yb ファイバーを使った発振器，フアンプののち，Nd:YAG 固体マルチパスアンプで 20psec, 5 mJ 程度のパルスを生成する．発振器は入射器で使用するリファレンス RF 114.24 MHz に同期され，96nsec (10.38 MHz 周期)離れた 2 バンチにも対応できる構成になっている．
出力の安定性は，RF gun で発生した電荷を Beamposition monitor (BPM)の電荷量を測定することで評価したが，1.5 +/- 0.03 nC すなわち 0.2 %程度の安定度となった．
レーザのプロファイルを Fig.1 に示すが，図のようにきれいなガウシアンからは程遠く，改善の余地があった．ただし，後にこの原因はポラライザーのダメージの影響であることが判明したので，次回のスタディーまでには改善すると思われる．

ビームチャージは 1.25 nC，30 MeV に加速したときであり，規格化エミッタンスで水平方向に 23.0, 垂直方向に11.4 mm-mrad という測定結果となった．これは，シミュレーションから想定されるエミッタンスより大きくなっているが，カソード上でのレーザプロファイルが一様でないことが原因と思われる．今後，レーザプロファイルが改善されればより小さなエミッタンスになると予想される．
また，ビームラインの下流でエミッタンスを測定すると徐々に大きなエミッタンスと測定される傾向にある．これは，ディスパージョンの影響や測定精度の悪化などが考えられるが，これも今後の課題である．

Figure 1: Laser profile (second harmonics)

Figure 3: 2 bunches beam trasport orbit and charge

2.2

ビームトランスポート

Nd:YAG 結晶で生成したパルスエネルギー200 uJ 程度の 266 nm のレーザパルスを用いて，1.5 nC の電子ビーム発生を達成している．バンチ長をストリークカメラで測定した結果，レーザのパルス幅とほぼ同じ 20 psec 程度ある．入射器 A1 にはシケインが設置してあり，加速管のエネルギースロープを使ってバンチ圧縮を行っている．
バンチ長は約半分の 10 psec 程度にしている．Figure 2にストリークカメラ測定結果を示す．このようにバンチ圧縮を行うとアーク部においてもチャージロスすることなくビームを輸送することができる．
(a) Horizontal: 23.0 mm-mrad(a)

No compression(b) Compression
Figure 2: Streak camera measurement

また，2 バンチ運転試験も行い，ほぼ同じ電荷量，ビーム軌道で入射器終端まで輸送できることを確認している．2 バンチ運転時の BPM 測定結果を Fig.3 に示す．
2.2

エミッタンス測定

ビームエミッタンスはスクリーンモニタを使って Q scan法を用いて行った．その結果を Fig.4 に示す．この時の(b) Vertical: 11.4 mm-mrad
Figure 4: Q scan beam emittance measurement

3.

90 deg injection line study

2 つ目の RF gun のスタディーをするために 2017 年春に建設した 90 度ラインによる CDS RF gun のスタディーも行った．Figure 5 に 90 度ラインを示す．このラインはRF gun カソードの垂直方向からレーザを入射可能であり，この垂直方向からのレーザ入射がこのラインのスタディーの目的の一つとなっている．結果としては垂直入射でも問題なくビーム発生が確認され，正常にビーム輸送も行えることがわかった．今後は 0 度ラインのバックアップとして Phase II の RF gun として運転に使用していく予定である．

Figure 5: 90 deg injection line

4.

まとめSuperKEKB Phase II HER の電子ビーム入射に向けてRF gun のスタディーを進めてきた．レーザは Nd:YAG結晶を用いた狭帯域 1064 nm を使用しており，Phase IIIに向けてのレーザ開発とは別に制作されたものである．
レーザの安定運転も確認され，Phase II の RF gun による連続入射に向けてめどがたったと言える．今後は，レーザのプロファイル改善やレーザ測定システムの増強，バックアップラインである 90 度ライン準備などを行ってPhase II 運転に備える．

参考文献[1] Takuya Natsui et al., “Quasi-traveling Wave Side Couple
RF Gun Commissioning for SuperKEKB” MORPI033,
IPAC14, Dresden, Germany, 2014
[2] D. Satoh et al., “Improvement of photoemission propertiesof iridium cerium compound for SuperKEKB injectorlinac”, these proceedings, WEP106[3] Xi. Zhou et al., “Yb fiber and Nd:YAG hybrid laser system
of RF gun for SuperKEKB's phase-II commissioning”,
these proceedings, WEP116[4] R. Zhang et al., “Study on stable and high output energy
laser system for RF-gun at SuperKEKB injector”, theseproceedings, WEP117