INVESTIGATION OF ACCELERATION TUBE FIELD EMISSION BY
OPTICAL FIBER
Yoshiharu Yano#, Toshiyasu Higo, Shinichiro Michizono
High Energy Accelerator Research Organization
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki 305-0801 JapanAbstract
In the KEKB injector linac (LINAC), RF Power is supplied to four 2-m acceleration structures by one set of aklystron. We are observing field emission (FE) by screen monitor during rf operation. The acceleration structure withhigh FE has to be operated at rather low power. Therefore, if there is at least one acceleration structure with high FE, aklystron operation point (thus total energy gain at the rf unit) is limited by this one weak structure. Since there were few
screen monitors, it is difficult to find out the high FE accelerator structures. Instead of these screen monitors, weinstalled the optical fiber, in order to detect FE of the acceleration structures. When high energy electron beam hits theacceleration structure, Cherenkov radiation will be observed inside an optical fiber. By detecting this light by Photomultiplier (PMT), we can found the high FE acceleration structure. The inside of an acceleration structure with high FE
was investigated.

光ファイバーによる加速管フィールドエミッションの調査
1.

はじめに空中に放出される現象である。加速管の内部では高周波の高電界が掛かっているため FE によって放出された電子は加速電界に乗り加速されてしまうものも出てくる。これらの電子は条件によってはマルチパクタリングによって加速管表面に損傷を引き起こす事になる。現在 LINAC ではスクリーンモニター(SC)で FE の様子を観測し関連する KLY のパワーを下げて運転している。1 本でも FE 多い加速管があると関連する 4 本の加速管のパワーを下げざるを得ない。また、SC の設置箇所も少ないため FE の多い加速管の特定は困難である。

電子陽電子入射器(LINAC)の運転において加速管で発生するフィールドエミッション(FE)は加速管に投入する RF パワーに制限を与えており、安定な運転の妨げになっている。しかし、その観測はビームモニター用に設置されたスクリーンモニター(SC)によって行なうのみである。また、我々の加速ユニットは加速管 4 本に 1 台のクライストロン(KLY)からパワーを供給しているためそれらの中から FE の多い加速管を特定することは事実上不可能である。しかし加速管に密着して設置した大口径の光ファイFE の観測
バーで FE により発生する荷電粒子を観測すればそ 3.
れらの特定が可能になる。ここではその方法で特定
3.1 光ファイバービームロスモニター[1]
した FE の多い加速管とその内部の様子を紹介する。
フォトマル（ PMT ； H10721 浜松フォトニクス
製) 2 個または 4 個を NIM モジュールに組込んだも2. フィールドエミッション(電界放出)のと大口径の純粋石英光ファイバーを組合せて光電界放出とは金属表面に強電界をかけると、ポテファイバービームロスモニターとして運用中である。
ンシャル障壁が薄くなり、トンネル効果で電子が真

図１： 5 セクターの光ファイバー布設図____________________________________________#yoshiharu.yano@kek.jp

図 1 に 5 セクターの AC_56、AC_57、BP_58_1 に敷設した光ファイバー布設図を、図 2 に AC_56 付近の写真を示す。加速管、真空ダクトには出来るだけ密着しマグネットも内部を通過するよう布設した。

図 3 ： FE 波形とビーム波形

この波形は PF 運転モード時で AC_56,57 はビーム加速に寄与しないスタンバイ状態であるのでAC_56,57 からの FE は見えていない。全クライスト
ロンについて 1 台ごと OFF/ON を行なった結果AC_32 に起因することが分かった。3 枚目の波形はPMT のゲインを下げてビームによる信号が確認出来るようにしている。1.2 枚目は 200nsec/div、3 枚目は40nsec/div である。加速管に入っている RF は約 1μsec なのでパルスの真ん中付近と後に FE の山が出ている。
3.2

図 2 ：光ファイバー導入部の写真
この光ファイバーはビームモニターとして設置したものであるが Beam-OFF、RF-ON の状態で図 3 に示す様な信号が観測される。

図 3 ：光ファイバー導入部の写真

AC_32 フィールドエミッションの観測

AC_32 の加速管の FE が 5 セクターに敷設した光ファイバーで観測出来たがより詳しく調査するため
図 4 に示すように GU_3T、AC_32、AC_33 に光ファイバーを敷設し、クライストロンへの一次側印加電圧（ Es ）、ステアリングマグネットと Q マグネットの電流を変えて 3 セクター(3S)と 5 セクター(5S)に布設した光ファイバーの信号の変化を調査した。
以下にまとめと典型的な波形を図 5 と 6 に示す。
1) SX_32_1, SY_32_1 では 3S, 5S ともに変化無し。
2) SX_32_3 で
3S は-2A, 0.5A 付近で変化あり。
5S は-2A〜0.5A で FE を観測。
3) SY_32_3 で
3S は-2A, 0.5A 付近で変化あり。
5S は±2A の間で FE を観測。
4) 3S は SX_33_1, SY_33_1, SX_33_3, SY_33_3 で変化無し。
5) SX_33_1 で
5S は-3.5A〜1A の間で FE を観測。
6) SY_33_1 で5S は±2A の間で FE を観測。
7) SX_33_3 で
5S は-2A〜5A の間で FE を観測。
8) SY_33_3 で
5S は-2A〜3A の間で FE を観測。
9) QD, QF_31_4 では 3S, 5S ともに変化無し。
10) QD, QF_32_2 で 3S は変化無し。
5S は 5A 以上で FE が観測出来なくなる。
11) QD, QF_32_4 で3S は 0A〜2A で波形に変化あり。
5S は 2A 以上で FE が観測出来なくなる。

図 4 ： 3 セクターの光ファイバー布設図

12) QD, QF_33_4 で 3S は変化無し。
5S は 3A 以上で FE が観測出来なくなる。
13) SC_32_2 の IN/OUT で 3S は変化無し。
5S は IN で FE が減少。

しかもパルスの後の増加が顕著である。しかし、この FE は他の条件が整っていないため 5S まで届いていないと考えられる。

図 6 ： QD,QF_32_4 の電流値と FE の変化
図 5 ： SX_32_3 の電流値と FE の変化

以 上 の こ と か ら こ こ で 観 測 さ れ る FE は 主 に
図 5 では SX_32_3 が-2A の時に 3S の後のピーク AC_32_2 で発生していると思われる。
が少し大きくなっている。5S には SX_32_3 が-2A
加速管内部の写真の時に FE が見られ始め-1A の時に最大になる。 4.
SX_32_3 の運転値は 0A である。QD,QF_31_4 を変えても S3,S5 ともに FE の変化はなし。SX,SY_32_1 4.1 入力カプラー付近の様子を変えても S3,S5 ともに FE の変化はなし。QD,
これらの観測後に 3T-GUN 付近の改造があった。
QF_32_2 の電流値を変えても S3 の波形に変化は無 第 1 加速管(AC_32_1)と第 2 加速管(AC_32_2)を一時
く 5A になると S5 で FE が観測されなくなる。これ 的に撤去しこれらの加速管の内部を観察する機会がらから AC_32_2 の FE で出来た電子が AC_32_3 の あった。時間に余裕が無く専用の治具を作れなかっFE を誘発し SX_32_3 が-1A の時に AC_32_3 のどこ たため通常のマクロレンズでの接写しか出来なかっかでマルチパクタリングの条件が揃うためピークが た。
観測されると考えられる。
図 7 に AC_32_1 の第 1 ディスク(D1)付近の写真を図 6 では QD, QF_32_4 の電流値が 0A の時、3S で 図 8 に AC_32_2 の第 1 ディスク(D1)付近の写真を示は FE が最も少ないが、5S では最も多く、電流値が す。
増えるごとに見えなくなっている。これから AC_32
AC_32_1、AC_32_2 共に D1 のディスク面に損傷の FE で出来た電子が AC_33 の FE を誘発している。 が見られる。D1 は入力カプラー部であるとともに加速管の先頭であるため広がったビームに曝されておりディスク面の損傷が起きやすい。
第 2 ディスク(D2)以降については AC_32_1 では損傷が認められないが AC_32_2 では D2、D3 まで明らかに損傷が見られる。アイリスについては AC_32_1であまり損傷が見られないのに対し AC_32_2 では明らかに損傷が激しく、D2、D3 まで損傷が広がっているのが認められる。写真から見ると左側、つまり加速管の下側の損傷が激しい。
何らかの原因で AC_32_2 の D1、D2 付近でマルチパクタリングが起り始めそのまま RF パワーを投入し続ける事で損傷が進行し D3 以降にも損傷が広がって行ったものと思われる。

度が変わる、加速管の上流のマグネットの磁場を変えると SC の輝度が変わるなどの現象が見られる。
これも下流側の加速管の FE の電子が上流側の SCに到達している証拠である。

図 7 ： AC_32_1 の第 1 ディスク付近の写真
4.2

出力カプラー付近の様子

図 9 に AC_32_1 と AC_32_2 の出力カプラーからの写真を示す。AC_32_1、AC_32_2 共に最終ディスク（ DE ）のディスク面にわずかではあるが損傷が見 ら れ る 。 損 傷 の 度 合 い は AC_32_1 の 方 がAC_32_2 より大きく図の右側、つまり加速管の下側の損傷が激しい。これは AC_32_2 の入力部付近で起きた FE の電子が AC_32_1 の出力カプラー付近まで到達していると考えられる。このことは SC による FE の調査でも裏付けられている。観察している
SC の下流の加速管の RF パワーを変えると SC の輝

図 8 ： AC_32_2 の第 1 ディスク付近の写真

の洗い出しを行ないたい。

図 9 ： AC_32_1、2 の最終ディスク付近の写真
4.3

損傷の激しい加速管の様子

図 10 に損傷の激しい AC_34_4 の入力カプラー付
近 の デ ィ ス ク 面 の 写 真 を 示 す 。 D1 は ア イ リ ス 、ディスク面共に銅の光沢は無く銀色で表面がざらついて見える。D2、D3 についてもアイリス付近は同様に銀色に変色し光沢が全く無くなっているのが分かる。さらに D4、D5 についても程度の違いはあるが同様に損傷が進んでいることが分かる。
入射器では通常クライストロンの Es は 40kV で運転しているが AC_43 は加速管の放電で Es を下げて運転せざるを得ず撤去の直前では Es の運転値は32kV であった。

5.

まとめ

図 10 ： 損傷の激しい加速管の写真

3T-GUN 付近の改造前に AC_32 の加速管群の中でFE の多い加速管を特定し改造に合わせてそれらの 参考文献内部の写真を撮る事が出来た。これまでの測定で 1[1] Y. Yano, et al., “光ファイバービームロスモニターの本の加速管で発生した FE でも充分観測出来る事が開 発 ” Proceedings 8th Annual Meeting of Particle
分かったのでこれからは加速管 1 本につき 1 本の光Accelerator Society of Japan, Tsukuba, August 1-3, 2011
ファイバーを敷設して調査を行う予定である。ただ、FE によって放出された電子は加速管全周に飛び出して来るので間違った判断をしないように注意しなければならない。より良い判定をするためには光ファイバーの敷設経路を考慮する、加速管までの経路にシールドを施す等の対策が必要である。今後、入射器の他の加速管の調査も進め問題のある加速管