Present Status of KEK Injector Upgrade for Fast Beam-Mode Switch
Masanroi Satoh1,A) for the IUCA)
Accelerator Laboratory, High Energy Accelerator Research Organization (KEK),
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
Abstract
The KEK electron/positron linac is a 600-m-long linear accelerator with the maximum energy of 8 GeV (electron)and 3.5 GeV (positron). The KEK Linac provides four different beams into four independent rings. In order toenhance the operation efficiency, we have planned an injector upgrade aiming for a fast beam-mode switch. In thispaper, we will present the status of the KEK Linac upgrade in detail.

高速ビームモード切り替えのためのKEK入射器アップグレード現状報告
１．はじめに設定値を使用する。本アップグレードの最終目的は、入射器最大ビーム繰り返しである50Hz毎にビームモードを切り替え、4リング同時入射を行うことである。

KEKの電子・陽電子入射器は、全長約600mの線形加速器であり、4つのリング(KEKB電子/陽電子,PF, PF-AR)へビームを供給している。リング毎に、要求されるビームの品質（電荷量・電荷種・エネル
２．アップグレード計画
ギー等)が異なるため、電磁石磁場・RF位相・タイミング等の入射器パラメータ（ビームモード）は、
2.1 概要入射リング毎に異なる最適値へ切り替える必要があ
本計画は、Phase-I～IIIから構成される段階的アッる。
プグレードであり、Phase-Iは2005年夏に完了した。
現在、PF及びPF-ARへは、1日2回の定時刻入射を各アップグレードPhaseの概要を以下に示す。
行い、それ以外はKEKBへの連続入射を行っている。 2.2 Phase-I
KEKB電子/陽電子モード間の切り替え時間は、典型
2005年夏に行ったPhase-Iでは、約60mの新規PF的な場合、約30秒である。電子/陽電子リングの蓄BTラインを建設した[3]。旧PF-BTでは、ビームエネ
積電流値安定度をよりいっそう高め、ルミノシ
ルギー幅圧縮用ECSシケインの下流に、振り分けティー調整効率を向上させる目的のため、ビームDC 偏 向 電 磁 石 が 設 置 さ れ て い た 。 こ の た め 、モード切り替え時間の更なる短縮化が望まれている。 KEKB/PF間のビームモード切り替え時には、ECS磁
一方、PFリングに於いては、Top-up運転に対する要場変更及び初期化が必要であった。新PF-BTでは、望が高まって来ている。このため、KEKB連続入射ECSシケインの上流に振り分けDC偏向電磁石を設及びPF Top-upを同時に実現するため、高速ビーム置し、ECSの初期化等を不要としたため、KEKB/PFモード切り替えを目指した入射器アップグレード計間のビームモード切り替え時間は約5分半から2分半画が進行中である[1,2]。
へと半減し、大きな成果を得た。
2.3 Phase-II
図1に、理想的な高速ビームモード切り替え運転
Phase-IIにおいては、KEKB電子/PFモード間の高の概念図を示す。高速ビームモード切り替え運転で速ビームモード切り替えを実現する。現状の入射器は、タイミング信号・低電力RF位相等の必要最小ビーム運転では、電磁石磁場・電子銃・タイミング限のパラメータのみを高速に変更し、電磁石磁場値及びRF位相等のパラメータを頻繁に切り替えた運等の高速切り替えが困難なパラメータに関しては、転を行っている。Phase-II以降では、”Multi-Energy
異なるビームモードに於いても、協同調和的な同一Linac”を基本とした高速ビームモード切り替え運転を実現する[4]。本方式では、異なるビームモード、
KEKB e- KEKB e+ PF
PF-AR KEKB e- KEKB e+
すなわち異なるエネルギー・電荷量のビームを加速する場合においても、同一の電磁石磁場パラメータを用いる。一方、ビームエネルギーの変更に関しては、低電力RF位相の高速制御により実現する。計算機シミュレーション及びマシンスタディーの結果、ビームモード切り替え
20 ms
原理的な困難はないことを確認した。現在、PhaseII以降に必要なMulti-Energy Linac方式の運転パラ
図１：高速ビームモード切り替えの概念図
メータ開発に向けたマシンスタディーを精力的に
1

E-mail: masanori.satoh@kek.jp

石の新設を要する。詳細な振り分けラインの検討・行っている。さらに、バンプ軌道による軌道補正な設計は、今後進めていく予定である。
ど、実運転用ソフトウェアツール群の整備も同時に進められている。
2.4 Phase-III
３．パルス偏向電磁石システム
Phase-IIIに於いては、KEKB陽電子モードを含めKEKB及びPFリングへの高速ビームモード切り替た高速モード切り替えを行う。現行の電子/陽電子えを行うためには、PF入射用ビームをPF-BT側へ選モード切り替えでは、陽電子生成標的部の機械的挿択的かつ高速に蹴り出すためのパルス偏向電磁石が抜を伴うため、高速切り替えが不可能である。この必要となる。このため、昨年度冬期メンテナンス時ため、本アップグレードでは、孔空き陽電子生成標(Phase-I)に設置した既存のDC振り分け偏向電磁石を、的方式を検討している(図2)。
パルス偏向電磁石と交換した。表1に、パルス偏向
標的は直径5 mmのタングステン結晶であり、標電磁石システムの主要パラメータを示す。また、図的中心から横方向に4.5 mmずれた位置に、直径33にパルス偏向電磁石の写真を示す。
mmの孔を設けている。陽電子モード時には、一次現在、PFリングは2.5 GeV運転を行っているが、電子ビームを標的へ衝突させ、電子モード時には、将来の可能性を考慮し、3GeV入射まで対応可能な一次電子ビームが孔を通過する。原理実証実験では、設計を行った。電源の最大繰り返しは25Hzであり、孔を通過する電子ビームの量を、標的を抜いた場合出力電流は200μs幅の半サイン型である。また、電と比べて90%以上にまで高めることに成功した。さ表１： パルス偏向電磁石システム主要パラメータ
らに、Multi-Energy Linac方式によるPFリング入射に於いて、孔を通過させた電子ビームを用いたところ、 パルス偏向電磁石：安定なビーム入射を確認した。
ビーム曲げ角：7 deg. (3 GeV)
一次電子ビームの高速軌道制御には、パルスステ
最大磁場：1.36 Tアリングを用いる。昨年度冬期メンテナンス中に、
ギャップ：
157 x 30 mm (W x H)
水平方向(3台)及び垂直方向(1台)のパルスステアリ
コイル巻き数：
1ターンング電磁石を設置した。これらの電磁石は、既存のパルス偏向電磁石電源：最大電流値：
32 kA (12.5 Hz)
予備品を流用し、電源についても比較的安価な商用
27 kA (25 Hz)品を用いることにより、導入コストを抑えた。現在、
パルス幅：
200 us (半サイン)
本格運用に向けて、運転用ソフトウェアの整備を進
安定度：0.1%めている。また、一次電子通過量をさらに向上させセラミックチェンバー：るために、パルス四極電磁石の導入も検討されてい全長：1200 mmる。
W結晶標的(Φ5 mm)

コーティング：Ti (1 μm)

4.5 mm電子通過孔(Φ3 mm)

図２：孔空き陽電子生成標的
2.5 PF-AR入射
現状のPF-AR入射には、3 GeV電子ビームを用いている。その後、メインリングにて6.5 GeVまで加速し、ユーザー運転に供される。PF-AR Top-upを行うためには、6.5 GeV入射が必要となるが、これには、BTラインの電磁石及び電源の増強が必要であり、現状のトンネルスペースを考えると、AR-BTラ 図３：パルス偏向電磁石
インを6.5 GeV対応にすることは非常な困難を伴う。
源の出力安定度は、短期・長期的のいずれに於いてし か し な が ら 、 Top-up を 行 わ な い 場 合 に は 、も0.1%以下を実現している。
KEKB陽電子モードと同一の3.5 GeV陽電子ビームをパルス偏向電磁石部には、磁場遮蔽の影響から通入射する方法が提案されている。この場合、AR-BT
常の金属製チェンバーが使用出来ないため、全長部の偏向電磁石電源改造・四極電磁石ボア径縮小及びこれに伴う真空ダクト交換を必要とする。さらに、 1200 mmのセラミックチェンバーを使用している。
断面はレーストラック型であり、チェンバー内壁にAR-BT及びKEKB-BTは一部の区間が共通であるたは約1 μm厚のTiコーティングが施されている。これめ、BT下流部において振り分け用パルス偏向電磁は、電気伝導度の確保によって壁電流を円滑に流し、セラミックチェンバー部での発熱を抑制するための物である。
現在のPF入射は、1日2回の定時刻入射であるが、昨年度末の KEKB 停止期間中の 1 週間を利用し、 PFシングルバンチモードでの Top-up ユーザー運転を行った。 PF-BTに設置されたスリットを用い、入射電荷量を絞ることにより、リング蓄積電流値の安定度は 10-3を達成した (図4)。また、パルス偏向電磁石を 1 週間連続運転した結果、安定性などに特に大きな問題は見られなかった。現在、PFリング側に於いても、Top-upユーザー運転のための各種マシンスタディーや準備作業が進められている。

Beam current [mA]

51.10

5 min.

51.05

20

５．まとめと今後の課題
KEK入射器アップグレード計画の最終目的は、入射器ビームモードを高速に切り替えることにより、4 リング同時入射を実現することである。本計画は、三つの Phase から構成される段階的アップグレードである。現在、 KEKB ・ PF の同時入射を目指した
Phase-II 及び Phase-III の準備が進められている。 4 リ
ング同時入射の実現により、各リングに於ける物理実験のみならず、加速器マシンスタディーを含めた総合的ビーム運転効率の飛躍的向上が期待される。

60

40

テムでは、EVG及びEVRを光ファイバー接続することにより、イベント情報(ビームモード)・RFクロッ
ク・タイムスタンプ及びデータバッファ等の情報を同時かつ高速に送信することが可能である。また、
EVG/EVR を使用した場合、現タイミングシステムで使用されているモジュールの数を大幅に低減することが可能となり、耐障害性の向上が見込まれる。
現在は、本年度秋からの運用に向け、運転用ソフトウェアの開発が進められている。また、複雑なビームモード管理に対応するためのソフトウェア開発・更新 [11]も精力的に進めている。

51.00
50.95

0.1 mA
001/29/2008 23:54:59

50.9001/30/2008 11:51:5901/30/2008 23:51:19

Date Time [MM/dd/yyyy HH:mm:ss]

図４：シングルバンチトップアップスタディに於けるPFリング蓄積電流値安定性

４．その他の新システム
4.1 電荷制限システム
高速ビームモード切り替え運転では、入射器ビーム運転をこれまで以上に複雑化させることとなる。このような運転を実現するためには、高いビーム安定性及び高信頼性の放射線安全システムが必要となる。放射線安全の目的は、安定したビーム加速の監視及び機器の保護にあるため、ビーム強度の監視及び制限を、高い信頼性をもって実現するための電荷制限システムが不可欠となる。このため、ハードウエアを基本とした信頼性の高い電荷制限システムを開発し[5,6,7]、安定な運用を実現している。
4.2 新タイミングシステム
現状の入射器タイミングシステムは、約 150 台のTD4/TD4Vと呼ばれる遅延信号生成モジュール及び多数のNIMモジュール(Fan out等)を複雑に組み合わせた構成となっている。現状のシステムを用いた高速タイミング制御及び複雑なビームモード管理は困難であるため、タイミングシステムのアップグレードが必要とされてきた。
本計画では、新タイミングシステムとして、
VME64x-bus ベ ー ス の Event Generator/Receiver(EVG/EVR)システムの採用を決定した[8,9,10]。新シス

参考文献[1] 佐藤政則・IUC(Injector Upgrade Committee: 入射改善グループ), “高速ビームモード切替のためのKEK入射器アップグレード”, 日本加速器学会誌,日本加速器学会, 第3号 第2巻 (2006).
[2] M. Satoh, et al., “The KEK Linac Upgrade for the Fast
Beam Mode Switch”, Proc. of EPAC 2006, Edinburgh, 2630 June 2006, pp.855-857 (2006).
[3] N. Iida, et al., “NEW BEAM TRANSPORT LINE FROM
LINAC TO PHOTON FACTORY IN KEK”, Proc. ofEPAC 2006, Edinburgh, 26-30 June 2006, pp.1505-1507(2006).
[4] Y. Ohnishi, et al., “Design and Performance of Optics forMulti-Energy Injector Linac”, Proc. of LINAC2006,
Knoxville, 21-25 August 2006, pp.46-48 (2006).
[5] T. Suwada, E. Kadokura, M. Satoh, and K. Furukawa, "Newbeam-charge interlock system for radiation safety at the
KEKB injector linac", Review of Scientific Instruments,Vol.79, 023302 (2008).
[6] 門倉英一他, “PLCによるKEKB入射器の放射線安全のためのビーム電荷インターロックシステム II”, Theseproceedings.
[7] 諏訪田剛他, “KEKB入射器における放射線安全のためのビーム電荷制限システム (III)”, These proceedings.
[8] K. Furukawa, T. Suwada, M. Satoh, E. Kadokura, A.
Kazakov, “TIMING SYSTEM UPGRADE FOR TOP-UP
INJECTION AT KEK LINAC”, Proc. of EPAC 2006,
Edinburgh, 26-30 June 2006, pp.3071-3073 (2006).
[9] 古川和朗他, “KEK 電子入射器の高速ビーム切り換え機構”, These proceedings.
[10] 草野史郎他, “KEK Linacにおけるイベントシステム用ソフトウェアの開発”, These proceedings.
[11] 工藤拓弥他, “KEK-LINACにおけるパラメータ管理”,
These proceedings.