KEK 入射線形加速器トンネルの長周期床変動
MEASUREMENT OF LONG-PERIOD FLOOR MOVEMENT IN THE KEK INJECTOR
LINAC TUNNEL田中窓香 ∗A) 、肥後寿泰 A) 、諏訪田剛 A) 、柿原和久 A) 、榎本嘉範 A) 、牛本信二 B) 、水川義和 B) 、久積啓一 B)

Madoka Tanaka∗ A) , Toshiyasu HigoA) , Tsuyoshi SuwadaA) , Kazuhisa KakiharaA) ,Yoshinori EnomotoA) , Shinji UshimotoB) , Yoshikazu MizukawaB) , Keiichi HisazumiB)
A)High Energy Accelerator Research Organization (KEK)B)
Mitsubishi Electric System & Service Co., Ltd.

Abstract
KEK electron/positron injector linac has started the injection to SuperKEKB rings. For the emittance preservation
through the linac, high accuracy alignment is required. The fiducial for the measurement is defined by the 500 m laser
passage in vacuum. We assess each girder position this laser reference line by detecting the laser position with quadrant
photodiodes made of silicon semiconductor. The measurement so far has made us realize that the floor moves in a yearlong period. After initial alignment with using this measurement system, we have to suppress the misalignment by thisfloor movement. We have measured the floor movement for recent two years typically in every two weeks and evenin every 4 hours at 20 or so special positions. This measurement shows the year cycle and the location dependence on
location along the linac tunnel. In the present paper, we will report the result of measurements and show some analysesof this movement feature.

1.

入射器のアライメントシステムについてSuperKEKB への入射線形加速器でのエミッタンス保存のため、直線部の各コンポーネントのアライメント精度はベータトロン波長級の長さである 100〜200 m 内ではランダムミスアライメントの許容値として σ =0.1 mm、入射器全体 600 m では σ =0.3 mm 以下であることが要求されている [1, 2]。
入射器は Fig. 1 に示すように全長 600 m で、8 つのセクターから構成される。約 100 m の直前部を持つ A-Bセクターと約 500 m の C〜5 セクターが 180 度 ARC 部によって繋がれている。基本的に各セクターは 8 つの加速ユニットから構成され（ただし A セクターを除く）、加速管などの各加速ユニットに属するビームラインハー
ドウェアは約 9 m の高剛性の架台の上に搭載されている。この架台の両端には、ユニット内アライメントの基準とする 2 点が設けられ、四分割型シリコンフォトダイオード (Quadrant silicon Photo-Diode、以下 QPD) ディテクターが取り付けられている。アライメントはこのQPD の電気的中心を基準点として、ビームラインに平行な基準軸として定義するレーザー基線上に来るように行う [3]。この方法で入射器の全ユニットは 2014 年に初期アライメントを終えている。
全長 500 m にわたる入射器の床や建屋は、建設当初、床や建屋の膨張、伸縮の逃げを考慮して、おおよそ 1 セクターにわたる約 80 m 毎の高剛性の部分を、それらの相対位置変動を許す低剛性の Expansion joint（以下 Exp.
J）部で繋ぎ合わせるように造られている（Fig. 1）。建屋の地上部分は気象変化の影響を受け変動しやすいため、ビームラインのある地下トンネルも、地上部分との連動や、地下の温度や水分布等の影響を受けることがわかっ∗ madoka.tanaka@kek.jpている [4,5]。これは、先述したビームラインコンポーネントのアライメントの要求値を満たす上で問題になっている。この変化を定量的に評価するため、これまでレーザーと QPD、ダイヤルゲージ、傾斜計、レーザートラッカーによる測量などで観測を行ってきている。

Figure 1: Linac layout. Exp. J are shown red arrows.

2.

レーザーアライメントシステムを使った架台位置測定

2.1

概要

レーザー光軸が形成する基準線は、位置が安定しているレーザー発射部の点と、最下流に設けた入射器からビームトランスポートラインへの起点となる基準点を結んだ直線である。後者の点にレーザーを安定に固定するためには 0.1 ㎜/ 500 m〜10−9 rad 級の安定性を要求されるが、光学系でこれを実現するのは難しいため、測定の直前にレーザーが終端の QPD の中心を通るようにレーザーのポインティング角度にフィードバックをかけている。QPD はレーザーが中心を通るべき位置に取り付けられているので、QPD でのレーザー中心からのずれを計測することで、架台のレーザー光軸基準からのずれを測定することができる。2014 年の初期アライメント以降、
この QPD の位置測定を不定期に行ってきたが、位置の変化をより詳細に調査するために、2016 年からは約 2 週間に 1 度の間隔で測定を行うことにした。ただし、2017年夏のメンテナンス期間には、5 月中旬から 4 ヶ月半にわたりレーザー光軸管が取り外されたため、測定を行っていない。また、このときレーザーの基準となる終端のQPD を下流に 271 mm 移動しているが、全長の 500 mに対して 1 % 以下の変更であるため、測定に問題視するレベルの影響はない。
変動を時間的に稠密に、またビーム運転期間中も含めて詳細に測定するために、一部の QPD は挿入、引抜と測定の自動化を進めた [6, 7]。まず 2016 年に、特に大きな変動が見えてきていた Exp. J 直近の 10 ヶ所の QPDを自動測定可能なものに入れ替えた。その後、床、建屋の全体の動き、特に高剛性部分と軟剛性の Exp. J 部周辺の特徴を理解するため、2017 年初頭、4-5 セクター間のExp. J を挟んで 5 台ずつ、計 10 台の QPD を自動型と交換した。これらは 4 時間毎の定期測定を行っている。
レーザーアライメント計測には、レーザー光軸の横方向の広がりに関連する位置ずれに対する QPD の感度情報が必要であり、これはレーザー光軸の長手方向距離に依存する。Horizontal、Vertical の PD 位置 [mm] は感度係数 S [mm] と測定値 H（V）
、QPD の各象限での測定値
V1 〜V4 [V] を用いて次のように定義される。

H=

V1 − V2 − V3 + V4
V1 + V2 + V3 + V4(1)V =V1 + V2 − V3 − V4
V1 + V2 + V3 + V4(2)P osx(y) = Sx(y) · H(V )(3)

今回、感度係数は 2016/3 に測定したものを、リモートQPD に関しては 2017/10 に測定したものを使用している（Fig. 2）。しかし、レーザートラッカーで測量しながら架台を Vertical 方向へ 1.6 mm 移動した際、QPD の測定での移動量は 0.9 mm となり、トラッカーの測定結果の 1/2 倍程度となった。このため、定量的にレーザー
QPD システムを使うことには改善の余地があると言わざるを得ない。この意味で、今回示す測定結果は、感度把握に関する大きな誤差を取りされていないことに留意しなければならない。ただし、各種相対的な動きに関しては議論できる部分も大きく、また定期的に感度計測を行うことを通じて感度を確実に把握、管理する方向への改善の余地はある。

Figure 2: QPD sensitive factor.

2.2

測定結果

2017 年 4 月から 5 月にかけての 3 回分の QPD の位置測定結果を Fig. 3、Fig. 4 に示した。2014 年の初期アライメントの際にレーザー基線上に調整しているが、0.2〜0.3 mm 程度の局所的な変動を除けばなめらかにつながっている事がわかる。この局所的な変動の要因を把握する必要があるが、現段階でははっきりとわかっていない。
測定全期間にわたる QPD の測定結果を載せる。定期測定を開始した 2016 年 4 月からの変化の Horizontal 方向、Vertical 方向の結果がそれぞれ Fig. 5、Fig. 6 である。
2 年間の変動は概ね ±0.5 mm の範囲内に収まっている。
図中の縦の緑の線は Exp. J の場所であるが、Horizontal方向では 2-3 セクター間、4-5 セクター間の Exp. J で他より大きく変位しており、Vertical 方向では全 Exp. J において大きく変位をしていたり、変位の方向が逆であったりと、Exp. J 部以外の部分と違う動きをしているように見える。
Figure 7 に各 QPD での連続する 2 回間の測定結果の差の RMS を示す。Horizontal も Vertical も概ね 0.05〜0.1 mm 程度である。Vertical に関しては、3-4 セクター、4-5 セクターの Exp. J 部では、特に値が大きくなっている。また、年周期変動は 2 週間ではほとんど見えない程度だと考えられるので、この量は不確実性を示している。
終端 QPD が ±0.05 mm 以内に入ればフィードバックを停止し測定を開始させているので、特に下流側に関してはこの程度の測定誤差はあるものと考えられる。
以下、特徴的な動きを持つ Vertidal 方向について検討する。
4 セクター中央部から 5 セクター中央部まで、4-5セクター間の Exp. J を挟んだ QPD の時間変化を見る（Fig. 8）。Exp. J に最も近い QPD は上流側が PD48G7U（2017 夏に取り外されたため、以降は PD 48DA）、下流側が PD 48G7D（同 PD 51UA）である。Exp. J を直近の QPD は上流側と下流側は同じように動いていて、それ以外の場所より 2 倍程度変位量が大きい。Exp. J 直
近から少し離れたところから中央部までも、Exp. J を挟んで同じような動きをしている。また Exp. J の直近とそれ以外では逆位相の動きをしているように見える。
Figure 8 から建屋中央部と Exp. J 部周辺を抽出したものと、3 セクターの建屋中央部、3-4 セクター間の Exp.
J 部の動きを Fig. 9 に示す。3-4、4-5 セクター間 Exp. J部は同じ動きをしている。それに対して、3、4、5 セク
ター中央部は中央部同士で同じように動いている。
QPD の測定値の時間変化が年周期を持っているように見えるので、sin 関数でのフィットを試みた。Horizontal 方向は、2017/10 以降測定値の動きの様子がそれ以前から変わったため、フィット出来なかった。Vertical 方向について 4 セクター両端（PD 41U、PD 48D）と中央部の 2 点（PD 44D、PD 45D）の QPD についてフィットした結果が Fig. 10、Table 1 である。Exp. J 直近の PD
はほぼ 365 日周期（± 数日程度）で変動しているように見える。それに対し、建屋中央部の QPD については年周期の動きは見られない。振幅は中央部に対して Exp. J部は 5〜10 倍の大きさがある。中央部の変動はエミッタンスに大きな影響がなくても、Exp. J 付近の変動は無視

できないものである可能性が大きいが、発散せず、年周期で元の位置に戻ってきている様子が見られるため、定期的な架台の調整で補える可能性がある。
なお、本稿では詳しく述べなかったが、2017 年 10 月以降、特に Horizontal 方向について 2017 年 5 月以前とは変動の様子が異なっているように見える。これを論じるにはまだ十分な測定結果が得られていないので、2 週間毎の計測は継続している。

Table 1: The Result of Sin Function FitPD Name

Cycle [day]Amplitude [mm]PD 41U369±110.18±0.030.10

PD 44D38±8.40.033±0.030.070

PD 45D532±390.074±0.020.10

PD 48D368 ± 4.80.30 ± 0.0190.078

Figure 6: Vertical position displacement from 2016/4.

RMS [mm]Figure 7: RMS of the difference between two consecutivemeasurements.

Figure 3: Horizontal QPD position.

Figure 8: QPD Vertical displacement between 4-5 sector
from 2016/4.

3.
Figure 4: Vertical QPD position.

Figure 5: Horizontal position displacement from 2016/4.

まとめ

初期アライメント基準となるレーザーと架台に取り付けられた QPD を使った架台位置測定を行い、2014 年に完了した初期アライメントからのずれ量の測定を 2016
年 4 月から 2 年にわたって約 2 週間に 1 度行った。特に Vertical 方向について、Exp. J 付近において、全体の動きと逆位相であったり、変位が大きい様子が確認された。Exp. J 部直近と建屋中央部に注目して解析を行った
結果、Exp. J 部の QPD は年周期で変動しており、建屋中央部に比べて 2 倍程度の大きさで変動していることがわかった。しかし、これまでの測定では変動の特徴が捉えきれていない QPD もある。特に 2017 年 10 月以降、それまでとの動きとは様子の違うものが見られる。これ
らの変動を理解するために、2 週間毎の計測は継続している。それ以外にも、QPD 測定結果とトラッカー計測データと相違や、放射線の影響による QPD の劣化の程Figure 9: QPD Vertical displacement Exp. J and the centerof building from 2016/4.

Figure 10: The result of sin fit of 4 sector.

度など、測定、解析を行うにあたって不完全なところがある。レーザーの安定性についても完全に把握しきれていない。これら問題を解決して、より正確な QPD と架台、床の動きを把握する必要がある。

参考文献[1] K. Furukawa et al., “High-Intensity and Low-Emittance
Upgrade of 7-GeV Injector Linac Towards SuperKEKB”,
TUPME010, IPAC2013, Shanghai, China, May, 2013.
[2] M. Satoh, “Injector commissioning”, The 19th KEKB Accelerator Review Committee, KEK, Tsukuba, March, 2014;
http://www-kekb.kek.jp/MAC/2014/[3] T. Suwada et al., “Propagation and stability characteristics
of a 500-m-long laser-based fiducial line for high-precisionalignment of long-distance linear accelerators”, Rev. Sci. Instrum.84,093302(2013).
[4] T. Higo, “Linac alignment”, ICFA Mini-Workshop
on Commissioning of SuperKEKB and e+/eColliders,KEK, Tsukuba, November, 2013; http://kds.kek.jp/
confRegistrationFormDisplay.py?confId=\\12760[5] M. Tanaka et al., “Linac alignment for SuperKEKB injector”, TUPRI090, IPAC2014, Dresden, Germany, June,2014.
[6] T. Suwada, “Dynamical Observation of Slow Tunnel Floor
Motion at the KEKB Injector Linac”, THOM06, PASJ2015,
Tsuruga, Japan, August, 2015.
[7] T. Suwada et al., “Dynamical Observation of Slow Tunnel
Floor Motion at the KEKB Injector Linac (II)”, TUP134,PASJ2016, Chiba, Japan, August, 2016.