LCGメンバーへの説明会

Linacビーム調整のための基礎知識

2018. 11. 07
紙谷 琢哉

KEK 電子陽電子 加速器
HER 7.0GeV
LER 4.0GeV
AR放射光リング 6.5GeV

ＰＦ放射光リング2.5 GeVSuperKEKBリング (LER, HER)
周長3kmの円形加速器（ビームエネルギーは一定）

e+ 4.0GeV/e- 7.0GeV
入射Linace+ ダンピングリング
1.1 GeVKEK e+/e- Linac：全長600mの線形加速器（実際には敷地の関係でJの形に一回だけ曲がる）

KEK 電子陽電子 線形加速器 (Linac)l KEK e+/e- Linac は4つのリング(HER 7.0GeV, LER 4.0GeV, PF 2.5GeV , PFAR 6.5GeV)にビームを供給する。
l HER用 e- ビームは Rf-gun 入射部(A1) [1階]で生成し、PF, PFAR用 e- 及び e+ 生
成用 primary e- ビームは 熱-gun 入射部(AT) [2階]で生成する。
l これらのビームは 1.5 GeV で J-arc を周り、180度進行方向を変える。
l 1-sectorの真ん中 1-5 部にある陽電子生成部で e+ ビームが生成され 2-sector
end までで 1.1 GeV に加速されで DR に入射され、DRで damping した約40ms後に、3-sector に再入射される。

B
1.5 GeV@J-arcCA

Thermionic gun+RF bunching
Photo-cathodeRF gun3.3 GeV
10nC x 2 (prim. e-)
5nC x 2 (inj. e-)

1.1 GeV
Damping Ringcirc. 136 m

BunchCompression
SystemLAS capture sectionPF

2.5 GeV e0.1nC x 1

Energy-spread
Compression SystemS-bandlinac

1e+ target & 2

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

LER

4.0 GeV e+
ECS 4nC x 23Tgun

3

45HER

7.0 GeV e5nC x 2AR

6.5 GeVe-Linac Klystron-Gallery全体図

Linac Tunnel 全体図

Linac Tunnel (A,B,R,C,1-sector拡大図)
A

B

C

1

KEK 電子陽電子 Linac の変遷
l 1980年より：PF 2.5 GeV e- Linacv 400m長の線形加速器を建設（1, 2, 3, 4, 5-sector）

l 1984年より：TRISTAN 2.5 GeV e+/e- Linac
v 0.25 GeV primary e- Linac & 0.25 GeV e+ Linac の増設（P-sector）

l 1999年より：KEKB 8.0 GeV e- / 3.5 GeV e+ Linacv SLEDの導入
v A, B, C-sectorの増設（これによりP-sectorは消滅）
v J-arc部設置
v e+ 生成部の移設（2-1へ）

l 2016年より：SuperKEKB 7.0 GeV e- / 4.0 GeV e+ Linacv RF-gun入射部の増設（熱電子銃入射部の２階建て化）
v DR設置v e+ 生成部の移設（1-5へ、DR入射energy 1.1 GeV確保のため）

AT入射部（熱-gun）
熱電子銃入射部(AT)RF電子銃入射部(A1)l 熱電子銃入射部の構成
v Thermionic gun
v SHB1 (114 MHz)v SHB2 (571 MHz)v Pre-buncherv Buncherv 2m長加速管 x2l RF-gunと２階建て
v emiYance保持のためRF-gunからのビームは直進し、熱-gunからのビームは24度ラインを通って合流する。

l Beam Performancev HER入射用ビーム• 電荷量 ~ 1 nC@Gun• エミッタンス ~ 160/300 um(H/V)@Linac
終端v 陽電子生成用一次電子ビーム• 電荷量 ~ 10 nC@Gunà 7 nC@target

v PF, PFAR入射用ビーム• 電荷量 ~ 0.3 nC@Gun
AT = A-sector Temporary unitの意味

A1入射部（RF-gun）l RF-gunは2セットあり、現在の運転は直進方向にあるgunが使用されている。
カソードへのレーザーは斜め方向の２つの経路から照射している（両打ち）が片方のみで使用することもある。レーザー２系統：1stライン、2ndライン
l もう1台は90度曲がった方向に設置されている。
QTW RF gunbunch圧縮用A1 chicane

0 deg injection

CDS RF gun

Bファクトリー推進委員会2017.7の吉田氏スライド等より

陽電子生成部FC field: 3.5 T @ 12kA
(pulsed)
Brdige coil: 1.0 T @600A(static)

primarye- beam
3.3 GeVpositronproduction
TargetBridgeCoils

Flux
Concentrator
e+ beamtarget oﬀset & beam hole
top view
primary e-bridge coils

DC QM

spoilertargetrear viewsolenoid

Accel.
structuretargetdiameter
4.0 mmtargetoffset
3.5 mme+beamhole

injection eFlux
Concentrator

pulse ST
pulse QM

2.0 mmFC offset

holediameter
2.0 mm
7.0 mm
FC aperturel injection e- beam : on axis to preserve low emittancel primary e- beam : 2.5 mm off axis to minimize e+ yield degradation(target offset 3.5 mm, FC offset 2.0mm)

加速ユニットとは？
l Linacは"加速ユニット"と呼ばれる構成単位の繰り返しでできており、1つのユニットは1台のクライストロン(KL)に属している。1つのクライストロンからのRFパワーは標準的には4本の加速管（各2m長）に等分割して送り込まれビームを加速する。
l ユニットは約8台ごとに、セクターと呼ばれる領域に分割されている。

B
1.5 GeV@J-arcCl KEK Linacでは全部で57台の加速ユニットが稼働している。
(A:5, B:8, C:8, 1:7, 2:7, 3:7,4:8, 5:7) （2018年11月時点で）A

1e+ target & 2

LAS capture section345

加速ユニットのレイアウト
マイクロ波のパルス長を圧縮する
SLED空胴マイクロ波を増幅する
クライストロン

真空ポンプ

マイクロ波を伝送する
導波管、立体回路

ビームを収束する
四極電磁石

ビーム

真空マニフォールドを加速する加速管
電子ビーム

マイクロ波源（地上階クライストロンギャラリー）

SLED

導波管
パルスモジュレータ

クライストロンRFパルス圧縮空洞 (SLED)ライナック ビームライン（地下トンネル内）

四極電磁石

加速管

ユニット
架台

円形加速器の特徴
l 円形加速器 [例. SuperKEKB]のRFシステムではRF cavity
v cavityにはビームが繰り返しやって来る。
v しかも多数のバンチを蓄積するので、最短では 2ns 間隔で次のバンチが来る可能性がある。
v RF は連続波 (continuous wave) として生成される必要がある。
v cavity内の定在波(standing wave) で加速する

l 円形加速器のビームラインレイアウトは（単なる紙谷の個人的な感想です。）

v Bending magnet が大きな部分を占め
v RF cavity, Q magnet 他の占める領域は小さい

Beam間隔（Ringの場合）

線形加速器の特徴
l 線形加速器 [例. KEK e-/e+ Linac]のRFシステムでは加速管v ビームは間欠的にやって来る
50 Hz (20 ms interval)v RF はパルス波(pulsed wave)として生成される必要がある。
v 加速管内の進行波(travelling wave) で加速する

l 円形加速器のビームラインレイアウトはv 加速管が大きな部分を占めv Q magnet 他の占める領域は小さい、Bending magnet は少ししかない
v 例えば、加速ユニットの長さ 9.6mのうち、8.0mを加速管が占める(83% !)Beam間隔（Linacの場合）

LinacのRFの特徴
l Linacの加速管では、あるビームは１回しか通らない→ 一発勝負で目一杯加速するしかない。
v 2m長の加速管をビームが通り抜けるのに要する時間は2.0(m)/3.0x108(m/s) = 6.7 (ns) であるから、この時間内だけ加速できれば良いはず。
v しかし、実際には加速管にRFを充填するには 600 nsかかる(filling time)ので、それだけの持続時間は必要。

l つまり、次のビームが来るまでの 20 ms の間、power を貯めて、600 ns の短い時間内に加速管に送り出せば、非常に高いpeak powerが得られる。
l 短いパルス幅のマイクロ波の限られたパワーでなるべく加速効率を高くするにはどうすれば良いか（=>進行波型加速管）
パワー ->加速電界 変換効率(shunt impedance) が高い。

パルスモジュレータとクライストロン
l パルスモジュレータで東京電力からのAC電力を約20msの間 Pulse Forming
Network という回路にため込んで、サイラトロンというスイッチで約5μsのパルス(電圧約300kV)として取り出してクライストロンに印可する。PFNに充電する際の設定電圧を Es と呼んでいる (通常42kV程度)。
l クライストロンではこの高電圧で電子ビームを加速して、小電力のマイクロ波を入力してビームに速度変調をかけて大電力のマイクロ波（ピークパワー40MW、パルス幅 4μs）として取り出す（増幅器として動作）。

SLEDl SLEDは SLAC Energy Doubler の略で、RFパルス幅を圧縮してピークパワーを高くするためのRF cavityである。
40 MW x 4 μs -> 137 MW x 0.6 μs
l クライストロンからのマイクロ波は SLED cavityに蓄えられていくが、途中のその位相を反転させると、cavityからマイクロ波が放出されてピークパワーが高くなるが ﬂat-top が無い波形になる。
l このため、SLED を使っているユニットではビームとRFパルスのタイミングによりenergy gain が変化するのでタイミングを良く合わせることが重要。
l また 2-bunch 加速では、単純にはそれぞれのbunch の energy gain が異なることになるので、beam loading の影響も含めての gain が等しくなるようにタイミングを調整する。（痛み分け）

SLAC-PUB-1453より

KEK S-band 進行波加速管
l RF周波数 2856 MHz, 波長λ = 105 mm
l 2π/3-mode ( 1 cell の長さ λ/3 = 35mm)
l 54 標準加速 cell + 入力/出力-couplerl 加速管全長 ~ 2 m
l 開口部直径 ~ 20 mm
l 平均電界強度 ~ 21 MV/m@34 MW

セクターとは？
l クライストロンは低いパワーのマイクロ波を高いパワーに増幅する装置であるが、この入力となるマイクロ波にもある程度のパワーが必要となる。基準となるマイクロ波はマスターオシレータで生成するが、このパワーでは低すぎるのである程度増幅してKLの入力マイクロ波を作るのがサブブースター(SB)である。（実体は小型のクライストロン）l SBからのマイクロ波は標準的には8分割されて、SBの下流にある8台のKLに分配される。1つのSBに属する8台のKLに対応する加速ユニットのグループをセクターと呼ぶ。
l あるSBのphase shioerを変化させると、それに属している8台のKLの入力位相が共通に影響を受ける。
l 現在はSBを経由せずユニット毎に半導体アンプでKLの入力を作っているユニットがいくつかある。（次のページ参照）位相のパルスごと切り替えができる部分
l SHB1, SHB2 (右の表には含まれないが切替可能)
l Sub-booster (SB) は全て早い切替が可能
l A1A, A1B は AT & A1 入射部用
l A2, A3, A4
l B5 & B6 は J-arcへの energy knob
l 15 & 16 は 陽電子生成部
l 17, 18, 21
l 27 & 28 は DR or SY2 chicane への energy knobl DN, DS は DR-ECS, DR-BCS 用
l 51 & 52 は HER, LER への energy knob
l 61 は LER-ECS 用
これら以外のユニットは mechanical phase shioer なのでゆっくりしか位相を変えられないが、同じ親のSBに属しているグループ全体の位相はSBで切り替えられる。

励振器

励振器デア

Sバンド移相器
KL_A1A
KL_A1B
KL_A2
KL_A3
KL_A4
SB _B
KL_B 5
KL_B 6
SB _C
SB _1
KL_15
KL_16
KL_17
KL_18
SB _2
KL_21
KL_27
KL_28
KL_D N
KL_D S
SB _3
SB _4
SB _5
KL_51
KL_52
KL_61

表：三浦さん提供mode ごとの beam energy proﬁlel modeごと（入射先のringごと）にbeam energy を変えるには、入射部、陽電子生成部、energy knob などの重要なユニット及び複数のユニットを束ねるSBの位相が早く切り替わる必要がある。

Bファクトリー推進委員会2016.7.19の佐藤氏スライドより

Pulse Magnets
ビームのパルスごと切替に重要となる以下の部分では pulse magnet が使われている。

3,4,5-sector標準型Pulse Magnets & 架台

l AT, A1入射部の切替のため、24度ライン合流部周辺の bend, Q, ST をPulse 化した。
l 陽電子生成のため e- beam をターゲットに当てるか、HER等への入射のためにターゲット横の穴を通すかを切り替えるた
めに、target 部分付近の Q, ST をPulse 化した。
l 1, 2-sector で e+ beam と e- beam の軌道を独立に調整するために、一部の ST をPulse 化した。
l 3, 4, 5-sector で DR からの e+ beam 及び上流からの HER, PF, PFAR 入射用 ebeam の beam opscs, beam orbit を切り替えるために、この領域のすべてのQ &ST をPulse 化した。

QST STQ

3D-CAD図提供：榎本氏

Stand-by ユニットl 加速ユニットの中にはRFによる運転をしているが加速に寄与していないものがある。このような状態のものをStand-byユニットという。
l RF運転を止めてしまうと、時間をおいて次に立ち上げたときにすぐには調子が上がらず使えないことがある。そこでRF運転はするが、ビームが来るタイミングから十分離して（50μs）動作させると、加速には寄与しない。
l クライストロンの故障などが発生した際には、そのユニットのRF運転を止めて、代わりにどれかのStand-byユニットを加速状態に切り替えて beam energy が入射に足りるようにする。
l その際、各部分での energy proﬁle が変化するため、beam opscs
的には Q や ST のK値が少し変化することになる。この補正のためには、新たな energy proﬁle に基づいて Q や ST の磁場値を変更する必要がある。

energy margin [A, B-sector]

Beam energy を限定される箇所(1) AT/A1 合流部24度ライン：57 MeV(2) J-arc部 :1500 MeV

24度斜めAT/A1合流ライン
achromasc & isochronous

Q
B

Q

Q

B

180-deg J-arc部
Q & SX2709

300 111.

737.5942072.449

1PRM

Q

Q

PRM

QQV

V30°

PR
M
M

Q

15016BP

IT

SL

886.6

R3570

QQ

STM-V/H WSGVB-84

ACCB-8-

BPM

S

Q
BPM

1259

530

1000

220

85530

4441.785 10740405B

52730°

057R3BBP

6台の30度Bendで、180度ビーム進行方向を変える。

165150QQVST

M-V

Q

PR
M

Q

M

S

Q & SX

R3570150

16530°B

KFS-NW50

165150Q & SXarc

30°

B

achromasc & isochronous

0R357-V

M
ST
V

QQ
Q
M

B

Q

BP

M S

PR
70°
30

R35B

SL

IT

Q
BP

M

PR
M
S
QQ

V

Q & SX

30°

460.5

R3570

Q & SX

300 111.
1

GV
Q

PR

Q

Q

PRM

STM-H/V WS

GVC-10

M
BPM

BPM
QQV

1512

530

501.5

1500

1500

220

530

441.7

85

2000

502.006
107

85 85

4040

energy knob ユニット
l J-arc部などの beam energy が限定されている部分に送り込む
beam の energy を微調整するためには、2台の加速ユニットを用いて、それぞれの crest （頂上）位相から反対方向に同じ量だけ位相をずらすことで、中心 energy は変化す
るが energy-spread は大きくならないようにすることができる。

合計の寄与

B5 ユニットによる加速

B6 ユニットによる加速

energy margin [C,1,2-sector]

Beam energy を限定される箇所(3) DR入射点（28_4部）e+：1100 MeV(4) SY2 chicane(e-)：
4078 MeV

第２スイッチヤード部 (SY2) 2-sector終端部
l LTRへの分岐部 + RTLからの合流部 + 直進方向 chicane

energy margin [3,4,5-sector]

Beam energy を限定される箇所(5) SY3：HER 7000 MeV, LER 4000 MeV, PF 2500 MeV, AR 6500 MeV

第３スイッチヤード部 (SY3)l LER, HER, PF, PFAR へ分岐する
l 東側 beam dumpライン
l 直進 beam dump ライン（現在はAR-BTと交差するため使用できない。）

Energy Analyzer & RF phasingl KEKBよりも前の時代には SLED を使っていなかったので、非常に長いパルス（~1μs）の平均電流値の高いビームを出すことができた。
l これを用いてビーム誘起波とクライストロンからのRF波の位相差を測定して、ビームに対する crest 位相を決めることができた。これをPhasing と呼ぶ。
l しかし、KEKBの時代になって使えるビームはbunch電荷量は大きいがbunch数が少ないために、平均電流値は低くて誘起波の測定が難しくそれまでのPhasing 手法が使えなくなった。
l そこで J-arc や SY3 などの energy analyzer として使える箇所までなんとかビームを運んで bend で曲げてその位置を測り、KLY位相を変えてこの位置の変化を調べて crest 位相を決めるようになった。
l 現在ではこのやり方のことを Phasing と呼んでいる。

機器名称の付け方
l Linacで用いられている装置の場所を特定するにはv どの sector の、どの unit にあるか？
その中でさらにv どの加速管（或いはBend）の後（またはその加速管上）にあるか？
が分かればよい。

l 加速ユニットの名称は、例えば 1-5 のように表す。"1の5ユニット”などと発音する。これは第１sectorの第5 unit ということである。
l セクター名称としては、実際に加速管が置かれている A, B, C, 1, 2,3, 4, 5-sector以外に、J-arc部は R-sector、DR入射出射部はD-sector、第3スイッチヤードは 6-sector として取り扱っている。
l 機器名称としては、例えば機器の種類sector 加速管の番号

QF_18_24
unitとなる。

枝番

機器名称llllllllllllllllllll

電子銃：GU_AT (熱gun), GR_A1 (RF-gun)
Sub-harmonic buncher：SH
Pre-buncher：PB
Buncher：BU
加速管：AC
クライストロン：KL
sub-booster：SB
ヘルムホルツコイル又はソレノイド：SL
四極電磁石：DCマグネットは QD, QF (defocus, focus)、パルスマグネットはPD, PF
六極電磁石：SD, SF (defocus, focus)
偏向電磁石：DCマグネットは BM、パルスマグネットは PB
ステアリングマグネット：空心DCは SX, SY、鉄心DCは BX, BY、パルスは PX, PY
target：TG
Flux concentrator：FC
Beam posison monitor：SP （strip line monitorより）
Screen monitor：SC
Wire scanner：WS
Streak camera：OT
Gate valve：GV
Ion pump：IP

Beam Posison Monitor 断面

Q magnet + BPMスライド、終わりです。
ご静聴ありがとうございました。