KEK 電子陽電子入射器の SuperKEKB 入射性能向上計画
SuperKEKB INJECTION IMPROVEMENT PLAN
AT KEK ELECTRON POSITRON INJECTOR LINAC
古川和朗 ∗A) ，明本光生 A) ，荒川大 A) ，荒木田是夫 A) ，飯田直子 A) ，惠郷博文 A) ，榎本收志 A) ，榎本嘉範 A) ，
大沢哲 A) ，岡安雄一 A) ，小川雄二郎 A) ，柿原和久 A) ，梶裕志 A) ，片桐広明 A) ，紙谷琢哉 A) ，川村真人 A) ，
佐武いつか A) ，佐藤政則 A) ，設楽哲夫 A) ，周翔宇 A) ，白川明広 A) ，杉村仁志 A) ，諏訪田剛 A) ，清宮裕史 A) ，
染谷宏彦 A) ，竹中たてる A) ，田中窓香 A) ，張叡 A) ，中島啓光 A) ，夏井拓也 A) ，坂東佑星 B) ，東保男 A) ，
肥後寿泰 A) ，本間博幸 A) ，松下英樹 A) ，松本修二 A) ，松本利広 A) ，三浦孝子 A) ，三川勝彦 A) ，宮原房史 A) ，
矢野喜治 A) ，横山和枝 A) ，吉田光宏 A) ，由元崇 A) ，レーマン・ムハマド・アブドウル A) ，王迪 B)
Kazuro Furukawa∗ A) , Mitsuo Akemoto A) , Dai Arakawa A) , Yoshio Arakida A) , Naoko Iida A) , Hiroyasu Ego A) ,Atsushi Enomoto A) , Yoshinori Enomoto A) , Satoshi Ohsawa A) , Yuichi Okayasu A) , Yujiro Ogawa A) ,Kazuhisa Kakihara A) , Hiroshi Kaji A) , Hiroaki Katagiri A) , Takuya Kamitani A) , Masato Kawamura A) , Itsuka Satake A) ,Masanori Satoh A) , Tetsuo Shidara A) , Xiangyu Zhou A) , Akihiro Shirakawa A) , Hitoshi Sugimura A) ,Tsuyoshi Suwada A) , Yuji Seimiya A) , Hirohiko Someya A) , Tateru Takenaka A) , Madoka Tanaka A) , Rui Zhang A) ,Hiromitsu Nakajima A) , Takuya Natsui A) , Yusei Bando B) , Yasuo Higashi A) , Toshiyasu Higo A) , Hiroyuki Honma A) ,Hideki Matsushita A) , Shuji Matsumoto A) , Toshihiro Matsumoto A) , Takako Miura A) , Katsuhiko Mikawa A) ,Fusashi Miyahara A) , Yoshiharu Yano A) , Kazue Yokoyama A) , Mitsuhiro Yoshida A) , Takashi Yoshimoto A) ,Muhammad Abdul Rehman A) , Di Wang B)
A)
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
B)
The Graduate University for Advanced Studies (SOKENDAI)

Abstract
KEK electron positron injector has established simultaneous top-up injections in 2019 for 4 rings of SuperKEKB
HER, LER, PF ring and PF-AR as a base of the both elementary particle physics and photon science experiments evenunder a quite short beam lifetime. It improved the injection stabilities while the SuperKEKB broke the world record of
the collision luminosity of the previous project KEKB. As the collision performance improves, the beam-beam effectmakes the dynamic aperture shrink, and the beam lifetime reduces further. Thus, it became indispensable to increase theinjection beam charge and to lower the emittance in several years. The injector upgrade plan is described.

1.

はじめに

KEK 電子陽電子入射器は、SuperKEKB 素粒子衝
突実験と PF リング及び PF-AR での放射光科学実験の両分野を支えるために、2019 年から 4 リング同時トップアップ入射を開始し (Fig. 1)、トップアップ入射開始前後を比較すると 237% という比率でSuperKEKB 衝突実験の効率を向上させることに成功した [1]。SuperKEKB 蓄積リングの特に陽電子リン
グのビーム寿命が短く、2019 年に 30 分程度、さらに 2021 年には 10 分を割るような条件で実験を続けており、この同時トップアップ入射機構は不可欠であった。この入射機構を基礎として、入射器は徐々に入射性能を高めており、SuperKEKB の衝突性能の世界記録の達成にも貢献している。
蓄積衝突リングにおいては、衝突性能の向上のためにビームビーム効果が増大するとともに力学口径が小さくなり、ビーム寿命が当初の設計値よりも大幅に小さくなることがわかって来た。ビーム寿命に対抗するために、蓄積ビームの口径と入射ビームの∗ kazuro.furukawa@kek.jp

口径を広げる努力とともに、入射ビームを増大させる、つまり大電流化の実現が急がれることになった。
単純にバンチあたりの電荷を増大させれば、航跡場
効果によりビームのエミッタンスが急激に悪化し、蓄積リングの入射口径を超えてしまうため、並行して低エミッタンス化を進める必要がある。このような蓄積リングにおける衝突性能向上の進展に合わせ

低エミッタンス
大電流 RF 電子銃

ダンピング
リング

電子

700 m 入射器
高効率
陽電子発生装置

2 倍の
ビーム電流

PF
2.5 GeV

陽電子

陽電子
輸送路

電子

PF-AR
6.5 GeV

電子輸送路

電子陽電子線形加速器の入射ビームと蓄積電流SuperKEKB:
7 GeV 電子 2000 mA
4 GeV 陽電子 2800 mA
PF:
2.5 GeV 電子 450 mA
PF-AR:
6.5 GeV 電子 60 mA

HER
7 GeV

SuperKEKB
周長 3 km

LER
4 GeV

Belle II
検出器
数十倍の
衝突性能

Figure 1: Layout of KEK electron/positron accelerator
complex.

て、入射器の性能向上を計画しており、装置の改造・増設を含めた計画の概要について述べてみたい。

2.

KEK 複合加速器群における入射器

SuperKEKB に向けての入射を実現するために、以前から続けている PF リングと PF-AR の 2 つの放射光実験施設への電子入射を維持しながら、入射器の改造を 2011 年から続けてきた。低エミッタンス大電
流電子ビームの実現のために、擬似進行波型軸外結
合空洞、イリジウム・セリウム合金光陰極、及び大出力個体レーザーを組み合わせて用いた RF 電子銃を開発し、その安定化を進めている [2]。電子銃近傍での電流値としてはバンチあたり 5 nC も実現しているが、下流でエミッタンスが悪化するため入射ビー
ムとしては現在のところバンチあたり 2 nC が最大である。大電流陽電子ビームについては、熱電子銃で発生させた大電流電子ビームをタングステン標的に照射し、対生成により発生した陽電子をフラックス
コンセントレータの約 5 T のパルス高磁場と 0.5 T のソレノイド磁場で捕獲し、大口径 S バンド加速管で減速バンチングした上でダンピングリングまで加速する。当初フラックスコンセントレータの 0.2 mm 間隙での放電が発生し心配されたが、材質として無酸
素銅に変えて銅ニッケル合金を採用することによって問題を解決し、さらに加速管の高周波終端器の改善により電流を増強しようとしている [3]。
SuperKEKB 入射の要求仕様を Table 1 に示す。生成された電子陽電子ビームの特性、特にエミッタン
スとエネルギー拡がりを、縦方向横方向の航跡場効
果やコヒーレント放射光によって悪化させずに蓄積リングまで導いて入射させるためには、バンチあたりの電荷の大きさにより工夫が必要となる。既に低い電荷においても悪化現象は生じており、これまでの研究成果を適用して影響を最小限に抑える必要がある。並行して、装置の短期長期の安定化についても重要性が高い。
Table 1: Required Injector Beam Parameters
Beam
Beam energy
Normalized emittance γεx/yEnergy spread
Bunch charge
No. of bunches/pulse
Repetition rate

Positron
4.0
100/150.16
42Electron
7.007
40/20
0.07
4
2
50

GeV
µm
%
nC
Hz

SuperKEKB の短いビーム寿命に対応しながら放射光施設を含めた実験を成立させるためには、4 リン
グ同時トップアップ入射は必須と考えられる。その実現のために、パルス電磁石や測定器などのさまざ
まな高精度のパルス動作機器が開発され、また広域同期ビーム制御機構を活用してパルス毎の独立ビー
ム運用を実現することに成功している [1]。放射光科
学実験を継続しながら SuperKEKB 向けの入射ビームを改善することは容易ではないが、この同時入射機構を最大限活用することによって、放射光実験への影響を与えずに運転中にビーム開発を行うことも可能となる。

3.

低エミッタンス保持

先に述べたように、大電流のビームの低エミッタ
ンスビームを長距離導くためには、エミッタンスを悪化させる要因を取り除いておく必要がある。ビー
ムが加速管の中心を通過しなかった場合の航跡場による横方向エミッタンス悪化が評価されており、加速管のアライメントの誤差を短距離区間では 0.1 mmに、長区間では 0.3 mm に抑える必要がある [4–6]。東
日本大震災によって 1 cm 以上アライメントがずれてしまった後、精力的に測定と補正が行われ、現在では、アライメントは改善されてきた [7, 8]。下流区間
ではエネルギー差を補正する必要からパルス電磁石の設置が進んでいるので、4 リング同時トップアッ
プ入射時のビーム軌道も比較的整っているが、特に上流部では加速管の中心から 1mm 以上の軌道のずれがあり、パルス電磁石の増設による改善が必要と考えられる。
ビーム軌道の悪化の一つの要因としては、建物の歪みが疑われている。入射器の建物はエクスパン
ション・ジョイントで接合された 8 つの区域から構成されているが、年間を通した測量により、ジョイント部で年間 1∼2 mm の主に垂直方向の位置偏差が観測されている [9]。
また、ビーム光学関数の誤差により、思わぬ位置で分散関数が大きくなってしまい、加速によりエミッタンスの増大を招く場合がある。特に、180 度アーク部、入射器・ダンピングリング接合部、エネルギー圧縮システムなどで誤差をできるだけ抑制し、エミッ
タンスの悪化を防ぐ努力を続けている [10]。
ビーム輸送路では、航跡場効果が無視できるのでエミッタンス増大が小さいと期待されていたが、現在のところ大きく増大してしまっている。陽電子輸送路では、KEKB での入射エネルギーの 3.5 GeV から SuperKEKB の 4 GeV へ変更になったために、偏向
電磁石の間隙を狭めることによって磁場の増強が行われた。この際に上下対称に修正できなかったために、発生した 6 極成分がエミッタンスを悪化させていることがわかり、ビームの観測結果を用いて、永久磁石による補正が行われている。
電子輸送路では偏向電磁石の修正は行われていな
いが、エミッタンスの悪化が大きい。エミッタンス測
定上の障害により、ビームサイズが正しく測定できていなかったことがわかり一部は説明がついたが、未だ大きな食い違いが解明されていない。期待しな
い R56 の値によりビームバンチが圧縮され、コヒーレント放射光 (CSR) によるビーム不安定が引き起こされているとの指摘もあるが、暫定的な実験では確認できておらず、検討を続けている。蓄積リングの入射効率も低く、エミッタンスの悪化だけでは説明が付かないと思われ、入射点においても何か解明できていないことがあると考えられている。
さらに、1 パルス 2 バンチの運転においても、96 ns
離れた 2 バンチ目の入射効率が悪く、この解明も急がれる。1 バンチ目の作る航跡場の影響が観測されており、両バンチの軌道差を抑える方策も必要となる [11]。上流の適当な場所でマイクロ波のタイミ
ングを調整し、エネルギー差を積極的に付けることで軌道を揃え、入射器終端での両バンチの均質化を図ってはいるが、この方策だけでは安定な運転は困難と思われる。
現在のところ衝突調整が続いており要求ビーム電流が仕様値の半分程度であるために、これらの課題は致命的にはなっておらず、衝突実験データ取得に時間を割くことが優先されているが、遠くない将来解決が必要である。
3.1 パルス電磁石
入射器内の下流部分においては、4 つの蓄積リン
グ加速器の入射エネルギーが、2.5 GeV から 7 GeV と大きく異なり、ビーム光学整合を取るためには異なるビーム収束力が必要となるため、パルス四重極電磁石の運用が重要となる。ちなみに KEKB 計画時には蓄積リングの入射条件が厳しくなかったために、入射器内では曖昧な光学条件でビーム輸送を行い、各蓄積リングへのビーム輸送路に別れてから光学整合を確立し直していた。しかし、SuperKEKB の入射
光学条件の精度要求が高く、さらに航跡場の影響も避けなければならず、KEKB 時と同じ戦略を取ることはできない。

タンスを悪化させないためには、100 µm 以下の精度でビーム軌道を制御する必要がある。さまざまな機器の安定性からか軌道の変動が観測されており、パルス電磁石の増設によりビームの安定化が計画され
ている。
3.2

パルス電磁石は 20 ms 間隔の入射器のビームパル
ス毎に異なる磁場を発生し、ビームの光学整合や軌道を制御するために用いられる。そのため、パルス
幅約 1 ms の磁場を発生する1 。一方、1 パルス 2 バ
ンチの加速運転において、2 バンチ目の軌道を制御するためには、さらに高速のキッカー補正電磁石が必要となる。そこで、セラミクス埋め込み電極を用いるキッカー電磁石とパルス電源の開発を始めている [14]。96 ns 間隔の 2 バンチを区別して補正するた
めに、100 ns 程度の立ち上がりを期待している。
3.3

SuperKEKB 運転開始時には、バンチあたりの電荷が少なかったため、まずは下流部のビームサイズの小さい領域で、ボア径が小さい、つまりインダクタ
ンスの小さく設計できるパルス四重極電磁石を 30台ほど、軌道補正を行うパルス補正電磁石を 40 台ほど設置した [12, 13]。しかし、電流が徐々に大きくなるに従い、エネルギー差の小さい上流部においてもビーム整合やビーム軌道の精度を上げる必要があり、パルス電磁石の増設を進めている (Fig. 2)。ビー
ム光学整合の精度が高くないと、ビーム分散関数の設計値から差異によって、予想以上のビームエミッ
タンスと軌道への影響が現れることがわかって来ている。上流部においてはビームサイズが大きいので、ボア径が大きくインダクタンスも大きな電磁石に対応する電源が開発された。
当面の設計目標の 4 nC のビームについて、エミッ

架台駆動機構先に述べたように、エクスパンション・ジョイン
トでの年間 2 mm に及ぶ装置の偏差は影響が大きいと考えられ、電磁石による軌道補正を施しても、影響が残るかもしれない。そこで、加速管と収束電磁石の架台を遠隔操作する駆動架台を内製して用意している [15, 16]。今後、必要性を見極めながら設置を進める予定である。

4.

Figure 2: Example of pulsed magnets installed in the linac.

高速補正電磁石

低エネルギー拡がり

大電流でありながら小さなエネルギー拡がりの電子ビームを加速するために、当初の計画では、時間方向に方形のビームを RF 電子銃から供給する予定であった [2]。そのために、周波数応答の優れたイッテルビウム添加の YAG レーザーのファイバーレー
ザーと固体レーザーの開発を行い、時間方向の波形整形を進めていた。低電流においてはビーム試験が進められたが、残念ながら現在のところ安定した大電流ビーム加速には至っていない。
光陰極としてはアルカリ金属を避け、東日本大震
災の教訓から震災時に真空が破れても回復が容易であるように、真空悪化に耐性があり量子効率も高い合金を探し、現在のところイリジウム・セリウム合金を採用している [17]。アルカリ金属よりも量子効率が低いために大出力のレーザーを必要とすることになっているが、安定性を重視して使用を継続している。
そこで、ネオジウム添加の YAG レーザーを固体レーザーの媒体として採用し、電流を向上させてきた。しかし、時間方向の波形整形が可能となる応答が無いので、生成したビームは時間方向にガウシア
ン形状を持ち、結果として大電流においてはエネル
ギー幅が大きく拡がると思われる [5]。現在はバンチあたりの電荷が 2 nC 以下なので、入射は可能であるが、早い内に解決策を用意する必要がある。

1 四重極電磁石については、電力の 80% がパルス毎に回収されている。

エネルギー圧縮システム 陽電子ビームはダンピン
グ・リングとバンチ圧縮システムを経由して加速され、入射器終端においてはエネルギー幅が大きくなっているため、当初から 6 台の偏向電磁石によるシケインと加速管を配置したエネルギー圧縮システ
ムを利用している。上に述べたように大電流の電子についてもエネルギー圧縮システムが必要と考えられる。そこで、入射器からビーム輸送路に入った区域の偏向電磁石による R56 を利用して、エネルギー
圧縮システムの構築を計画している。
先に述べたビーム輸送路でのエミッタンス悪化の原因が特定できていないため、CSR の影響などさまざまな可能性を考慮した上で、蓄積リングの時間方
向の口径ともバランスを取りながら、設計を進めている。さらにマイクロ波源から設置場所への距離が大きくなるために、マイクロ波の減衰をできるだけ抑えた伝送路を構築すべく計画している。

5.

大電流ビーム低エミッタンスと低エネルギー拡がりを達成することができれば、Table 1 に示した SuperKEKB 入射
ビームを用意できるものと期待しているが、今後の衝突運転の進み方によっては、特に陽電子ビームの寿命が短くなる可能性もあり、将来の可能性として、
バンチあたり 6 nC 程度まで陽電子を加速することも想定しなくてはならないかもしれない。
先に述べたように、陽電子捕獲磁場を発生させる
フラックスコンセントレータの放電の問題が解決され、さらに陽電子ビーム損失を減らすべく標的直後
で直ちに高電界で加速するために電界を上げる必要がある。加速管の高周波終端器における放電が懸念されており、その改善により設計値電圧に近づける
よう正常化できると期待している。
陽電子標的部では、標的脇の直径 2 mm の穴に電子を通過させて加速管に通す際に、航跡場効果を抑えるために電子ビームが加速管の中心を通るように装置を配置している。つまり、直径 4 mm の陽電子標的自体は中心からずれて、中心からの偏差が 3.5 mmとなっており、これを中心に近づけることが好ましい。標的直後に設置可能なビーム位置モニタが最近開発されたので、このモニタで陽電子を観測しながら調整を行えば、陽電子の収量を上げられるのではないかと期待される [18]。

6.

最大エネルギーSuperKEKB の衝突実験は、通常 B 中間子のうち
Υ(4S) 状態を生成するようなエネルギーで行っているが、重心エネルギーで 440 MeV ほど高い Υ(6S) 状態での実験にも期待がある。
入射器に設置されている約 230 本の加速管のうち、約 150 本は製造から 40 年経過したものであり、また当初の設計加速勾配は 8 MeV/m であったところ、現在は 20 MeV/m で使用されている。そのため劣化が激しく、徐々に印加電圧が下がっており、また電子ビーム溶接部から水漏れを起こすものも多くなっている。そこで、2023 年までに全体の 7% に当たる 16
本の加速管を交換し、Υ(6S) 状態での実験にも備えようとしている [19]。しかし、今後も劣化は進むと考えられ、どの程度の数の加速管の交換が必要か見極めようとしている。
また、大電力パルス・クライストロン電源に使用されているパルス形成回路のコンデンサが製造から30 年を超えており、微量の PCB を含んでいる可能性があり、さらに破壊検査が必要となるために、対象の約 700 台の交換を予定している。これらのコン
デンサは性能と安全のためにセラミック容器を使用しているため、製造に時間を要することに注意を払
い、交換を始めているところである。

7.

まとめ

このように KEK の電子陽電子入射器は、今後も複数装置の更新を行いながら、素粒子物理と放射光科学の両分野の実験を支えていく予定である。特にSuperKEKB 向けのビーム性能の向上を図るために、引き続きさまざまな技術研究開発をもって、各分野に貢献したいと考えている。

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in Proc. LINAC2014, Geneva, Switzerland, 2014, pp.2125;
https://epaper.kek.jp/LINAC2014/papers/
moiob03.pdf[3] Y. Enomoto et al., “A new flux concentrator made of Cu alloy for the SuperKEKB positron source”, in these proceedings, THOB04;[4] H. Sugimoto et al., “Design Study on KEK Injector
Linac Upgrade for High-current and Low-emittanceBeams”, in Proc. IPAC2012, New Orleans, USA, 2012,
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https://epaper.kek.jp/IPAC2012/
papers/tuppc021.pdf[5] S. Kazama et al., “Emittance Preservation in SuperKEKB
Injector”, in Proc. IPAC2015, Richmond, USA,2015,
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https://doi.org/10.18429/
JACoW-IPAC2015-MOPWA053[6] Y. Seimiya et al., “Investigation of Beam Variationand Emittance Growth Simulation with Both Misalignments and the Beam Jitter for SuperKEKB Injector
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JACoW-IPAC2017-TUPAB005[7] M. Tanaka et al., “The geoid distribution of KEK electron/positron injector linac”, in these proceedings, WEP008;[8] Y. Okayasu et al., “Survey report for KEK Tsukuba Campus
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Proc. PASJ2015, Tsuruga, Japan, 2015, pp.891–894;https://www.pasj.jp/web_publish/pasj2015/
proceedings/PDF/WEP1/WEP137.pdf[10] Y. Seimiya et al., “Low Emittance Beam Transport
for e-e+ LINAC”, in Proc. IPAC2017, Copenhagen,Denmark, 2017, pp.1304–1307; https://doi.org/10.
18429/JACoW-eeFACT2018-TUPAB02[11] M. Satoh et al., “Two-Bunch Orbit Correction Using the
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linac-com/pulsed-magnet/[14] C. Mitsuda et al., “Adaptive development of ceramics chamber with integrated pulsed magnet for future light source in

KEK-PF”, in these proceedings, WEP013;[15] S. Ushimoto et al., “Development of motorized movablestructures for accelerator girders and magnet supports”, inthese proceedings, TUP007;[16] Y. Enomoto et al., “Motor control of magnet support frame1”, in Proc. PASJ2019, Kyoto, Japan, 2020, pp.657–660;
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org/10.1016/j.egypro.2017.09.430[18] T. Suwada et al., “First simultaneous detection of electron
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https://doi.org/10.1038/s41598-021-91707-0[19] H. Ego et al., “New S-band accelerating structure for the
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