第122回Bファクトリー計画推進委員会
2022年11月22日

2022入射器運転とLS1アップグレード

KEK e+/e- injector linac group
紙谷 琢哉

報告内容
l 入射器の状況について
vビーム入射状況（入射電荷量の履歴）
v最近の改善項目[1] RF-gun レーザー導入窓の交換と真空ポンプ追加[2] RTL (from DR to Linac) への高速キッカーの導入（2バンチ間の DR 出射角度の違いの補正用）

l LS1期間における入射器のアップグレード項目
v[1] J-arc matching section でのパルス四極への置き換え
v[2] セクター 1, 2 (e+/e- compatible optics region) でのパルス四極への置き換え
v[3] Linac への高速キッカーの導入 （2バンチ間の軌道差の補正用）

2

3

Linac レイアウトと入射電荷量の履歴
l Linac は e-/e+ ビームを HER, LER, PF & AR へ安定的に入射しているB
1.5 GeV@J-arcCA

Thermionic gun+RF bunching
Photo-cathodeRF gun

3.0 GeV @target
10 nC x 2 (prim. e-)
4 nC x 2 (inj. e-)

1.1 GeV
Damping Ring
PFBunchCompression
System

2.5 GeV e0.1 nC x 1

Energy-spread
Compression System

S-bandlinac

1e+ target & 2
LAS capture section

50 Hz (e+ or e-)pulse-by-pulse
mode switching

LER

4.0 GeV e+
ECS 4 nC x 23e- Injection charge history
Q(e-) ~ 2.0 nC @RF-gun

45HER

7.0 GeV e4 nC x 2AR

6.5 GeVe-e+ Injection charge history
Q(e-) ~ 11.5 nC @AT-gun
Q(e-) ~ 10 nC @target

Q(e-) ~ 1.7 nC @linac-end

夏井氏

Start charge feedback(Laser feedback)Q(e+) ~ 5 nC @e+ capture sec.

Q(e+) ~ 3 nC @linac-end

リング側の要請で電荷量を下げた。

4[1] RF-gun レーザー導入窓の交換
l レーザー光導入用の石英窓の内側表面への汚れの付着によりビーム電荷量が漸減していく現象があり、対策として
l 新しい窓（石英及びCaF2）に交換した
l イオンポンプを追加した（表面の汚損を低減するため）
周氏
e- beamquartzwindow
laser photon into RF-gun
vacuum chambernewquartz
or CaF2
windowextensionductaddedpump窓交換後の電子ビーム強度の回復

5l RF-gun は２つのラインのレーザー光を合流させて使用している
l 窓のレーザー光の当たる領域では汚損により電子ビーム強度が40%減少していており、光の入射位置を少しずつずらして対応していた。
l 窓の交換後は全領域で電子ビーム強度が回復した。
e- intensity by 1st-line laser

new window
degraded window

1st-line laser incident position [mm]e- intensity by 2nd-line laser

吉田氏

new window
degraded window

2nd-line laser incident position [mm]

6[2] RTL 2バンチ軌道差の低減

l DR 出射キッカーのパルス電流波形の不均一性のため陽電子の1st/2nd バンチ間に軌道差とリング入射効率差を生じた
l この補正のため高速ストリップラインキッカーがインストールされた
飯田氏
l [1] バンチ間の軌道差が小さくなった
BPM1 and 2 にて測定
Extraction kickers
l [2] LER入射効率がほぼ同じになった
Strip line kicker[2] inj. eff.

[1] orbit diff.
Strip linekicker ON

BPM1BPM2

7

高速 ストリップライン キッカー
l RTL (DR to Linac) において 2nd バンチのみ蹴るストリップラインキッカーを導入した。 (KEK ATFにて開発されたもの) 小玉氏、内藤氏
l 電場型キッカー
kick angle 0.14 mrad with +/- 8 kVpulse length ~ 20 ns

DR Extraction Kicker pulse

Strip Line Kicker pulse≒ 20 nsec

8LS1アップグレード項目[1] パルス四極@J-arc

e- beaml ビームオプティクスの状況 @J-arc
v Achromatic である180度 J-arc ではその前後の直線部の周期的な収束系とのマッチングをうまく取らないとオプティクスのミスマッチが生じ、ビームロスに到ることもある。
v このようなビームロスは、元々大きなエミッタンスを持つ陽電子生成用の一次電子において問題である (KBP)
v 一方、マッチング調整のために四極の強さを変えるとHER入射用の低エミッタンスビーム (KBE) や PF, AR 入射用のビームにも影響を与えてしまう。

l パルス四極導入の動機
v マッチングセクションにパルス四極を用いるとそれぞれのビームモードごとに独立のマッチング調整が可能になる
清宮氏、岡安氏

matching
sectionmatching
sectione- beamachromatic &(isochronous)
opticse- beam9

オプティクスマッチングシミュレーション
l パルス四極: 入口部 4台 and 出口部 4台
l マッチング調整能力 の評価のためシミュレーションを行い初期Twissパラメータを乱数で振ってマッチングを試みた
l マグネットの磁場仕様値内で, うまくマッチングが取れてBmagx,y 値が 1 付近になるように調整できることが確認された

清宮氏

field strengths after matching(plot boundary shows design limit)

initial unmatched
conditions

4BmagYat J-arc
entrance

after matching

321PDR001 vs. PDR003
PFR002 vs. PFR004

65BmagY (Match Point)

564
PDR003/PFR004 [T]64320-22-41-600

123BmagX

45608877660

1234BmagX (Match Point)

56-6-4-20
2
PDR001/PFR002 [T]46PFR061 vs. PFR063
PDR062 vs. PDR064

6432PFR063/PDR064 [T]

5BmagYat J-arcexit

BmagY (Match Point)

454320-22-411-6001234BmagX

567800123456BmagX (Match Point)

78-6-4-202PFR061/PDR062 [T]4610J-arc用パルス四極マグネットl パルス四極の場合、電源設計上インダクタンスの制約があるのでマッチング性能を損わない範囲で磁場強度の仕様値はなるべく低めに設定した
l 磁極開口径はセラミックダクトの厚みも考慮して十分なビームアパーチャーを確保するように決定した。
l 電流値とコイル巻き数を最適化したがそれでも、既存のパルス電源より高出力のものが必要となり、その開発を行った。
l マグネットとダクト（セラミック）の長さは既存のDC四極についてのものとほぼ同じとした

parameters

DC quadR0_01 type

new pulsed
quad R0_01

bore diameter [mm]4444

field gradient [T/m]

26.1

21

max. current [A]56600

pole length [mm]

300

300

effective length [mm]

323

333

B’L [T]

8.43

7nI [A.turn]

5040

4200

turn of coil /pole90

7

inductance [mH]

200

1.5

横山氏

11

新しいパルス電源l J-arc のパルス四極用
Max Voltage [V]にこれまでよりも高出力
Max Current [A]のパルス電源を開発
Magnet inductance [mH]した。
Control method
夏井氏

3-5 sector typeNew pulse driver

230

400

330

600

11.5

ID-VGE analog

Pulse Width
Modulationcontrol

LS1アップグレード項目[2] パルス四極@セクター1,2
l セクター1, 2での e+/e- ビームオプティクス状況
v この領域（陽電子生成部出口の 0.1 -> 1.1 GeVまで加速してDRへの偏向点まで）では、エミッタンスの非常に大きい陽電子ビームをなるべく減らさないで運ぶために、短い間隔で多数のDC四極が配置されており、収束系の設定は陽電子ビームに最適化されている
v エネルギーの高い（3 ~ 4 GeV）電子ビームがここを通ると大きなベータ関数値となり、緩い収束しか受けられない
v このため、電子ビームのエミッタンス増大が起こりやすい領域である

l パルス四極導入の動機
v ビームオプティクス シミュレーションの結果、少なくとも４台のパルス四極を用いることにより電子ビームに対する ベータ関数値を小さくしてエミッタンス増大を抑制することができることがわかった

12

セクター1, 2におけるマグネット配置
l この領域には多数の四極マグネットがあるが加速管の外側から巻くタイプのものは渦電流の影響が大きいためパルス化できない
l 加速管の間に置かれているもののみがパルス化可能である
l 下図の4箇所について パルス四極に置き換える
beam line layout in Sector-1, 2

清宮氏

13

14

低ベータオプティクスによるエミッタンス増大の低減
l 前記の４台のパルス四極のみ、電子ビームに最適化した設定に変更することでベータ関数を小さくすることができる
l これによりエミッタンス増大を半分以下に減らせることがシミュレーションにより示されている
清宮氏
Δγε𝑥 ~ 100 um, 𝛽𝑥 = 45.2 m••Δγε𝑥 ~ 40 um, 𝛽𝑥 = 16.3 m

End of LAS
cavityStart of S-band
cavityBunch tail is kicked backby quad, and temporally
emittance is reduced.

e+ targetachieved smaller
betatron function

e+ target

15

セクター1, 2用パルス四極マグネットl インダクタンスの観点から磁極開口径 と 磁場強度の仕様値はシミュレーションに基づいて性能を損なわない範囲で なるべく小さくした
l マグネットとダクト（セラミック）
は既存のマグネット、ダクト と置き換えられるように設計した
l 電流値とコイル巻き数を最適化した結果、このマグネットのパルス電源には既存のものと同じ仕様のものが使えることがわかった

parameters

DC quad17_14 type

new pulsed
quad 17_14

bore diameter [mm]4432

field gradient [T/m]

20.9

23.6

max. current [A]80300

pole length [mm]

160

160

effective length [mm]

173.8

168.0

B’L [T]

3.63

3.96

nI [A.turn]

3760

2400

turn of coil /pole

478inductance [mH]

32.30.94

横山氏

LS1アップグレード項目[3] Linac 高速キッカーl Linac で 1st/2nd バンチ間の軌道差を調整することは重要
v リングへの入射効率 を両方のバンチともに最適化できる
v エミッタンス増大の抑制 を Linac 内の軌道オフセットにより行う
v ビームロスの低減 を両方のバンチで独立に調整できるl Linac 高速キッカーへの要求（J-arc用初号機）
v パルス磁場の立ち上がり < バンチ間隔 (96 ns)
v キック角 ~ 0.4 mrad @1.5 GeV
BL = 2.0 x 10-3 T.m

16

17

セラミックチェンバー 一体型高速キッカー

dipolefield満田氏

l CCiPM : Ceramics Chamber with integrated Pulsed Magnet（SPring-8、 KEK-PFで開発されたもの）

l 磁場型キッカー
l ４本の平行するコイルワイヤーにパルス電流を流す
l 上図のような向き（平行及び反平行）に電流を流すと水平方向の dipole 磁場が発生し、ビームを垂直方向に蹴ることができる高速キッカー用パルス電源l パルス電源の特徴
v SiC FET 高圧スイッチを使用 (Nexfi 社製)
v パルス立ち上がり < 96 ns
初号機ではまだケーブル配線長さの改善の余地があり、現時点の達成値は 200 ns 程度

v ピーク電流値 1000 A
v ピーク電圧値 20 kV
初号機目標は 10 kV で 450 A であるが、11/16 通電試験時は放電もあり、安定な運転は 8 kV で 360 A 程度、実効的な2バンチ間のキック量の差としては 200 A 程度であった
first prototype
v ビームモードごとにキック量を変えたいのでpulse power supply
パルス電流の振幅は固定にしてキック角の調at test stand
整はパルスタイミングを変えることにより行う。
（パルスの肩でキックする）
v スイッチモジュールはトンネル内にキッカーに榎本氏、夏井氏、岡安氏近接して設置する(放射線シールド構造が必要となる)

18

初号機高速キッカー設置（2022年夏）

19l セラミックチェンバー一体型高速キッカーの初号機は 2022 年夏にLinac J-arc部に設置された。
l 通電試験スタート（11/16）。今後、ビームキック試験を行う予定。

e- beame- beamebeam

岡安氏、夏井氏、満田氏

l 第２期製作予定の2号機、3号機は Linac終端 と SY3内HER-BTへの設置を検討中。 LS1後の運転に向けて2023夏設置予定。

まとめ と スケジュール
l Linac 入射状況と最近の改善項目
v Linac は安定して e-/e+ beam を HER, LER, PF & AR へ供給している
v [1] レーザー導入窓の交換によりRF-gunからの電子ビーム強度が回復
v [2] RTLへのストリップライン高速キッカー導入により陽電子の2バンチの軌道差が改善

l LS1 期間中の Linac upgrade 項目
v [1] J-arcマッチング部に８台のパルス四極を導入して各ビームモードごとのマッチング調整を可能にする (2023年夏)
v [2] セクター1, 2部に４台のパルス四極を導入して電子ビームの低ベータオプティクス化を実現する (2023年夏)
v [3] セラミックチェンバー一体型高速キッカーを導入して1st, 2nd バンチ間の軌道差を調整可能にする
初号機 (2022年夏に設置済み),通電試験開始、2022年内にビームキック試験を予定
2号機、3号機 (2023年夏に設置予定)

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