BEAM STABILITY AND CONTROL FOR LINAC AT NERL UNIV. OF TOKYO
T. U e d a , T. K o b a y a s h i , Y. Yoshida and K. Miya
Nuclear Engineering Research Laboratory,
Faculty of Engineering, University of TokyoAbstract
The beam stability of the 28 MeV electron LINAC has been improved for the pico­second pulse radiolysis e xperiments. The fluctuation of the emission, the time jitterand drift of the trigger c i r c u i t , the phase moduration drift and the power drift ofthe klystron, the frequency drift of the master o s c i ll at or , and the temperature driftof the water cooling unit were tested.
less

The fluctuation of the peak beam current wasthan ± 0.3% (pulse to pulse) and the drift of the average beam current was lessthan ± 0.6% during 80 minuts.
東大フイナックビ一ムの安定]生と運転制御< f f > 最 近 で は 、ノ』湮 S0R 入射ライナックビームの安定性または自由電子レ一ザ実験における高品質ライナックビームの安定性等、 ビーム性能の向上に伴いその安定度も厳しいものが要求される 。しかし、一^既に安定性といっても、その加速器を使用する目的により要求されるビ一ムの質並びに安定度も異なる。我々のところではツインライナックによる〜 10DS での高時間分解能パノレスラジオリシス実験を行っている。 この実驗では、ノくルス毎及び長時_( 1 時間以上） のビーム

電 流 （電荷量 ) の安定度が要求される。また、ビーム取出し出口 3麵 0 スリットを透過したビームを用いるため、エネルギー変動も極力少なくしなければならない。今回は現状での 2 8 M e V ライナッ
クにおける ピコ秒 単ノくルスビームの電流とエネルギーの安定度及び 各 コ ン ポ 一ネントの安定度を報告する。

< 吸収 _とS/N の改善 >Fig-1 にピコ秒レ一ザ一ダイオ一ドと 2 8 M e V ピコ秒ライナックを用いて測定して得られた吸収波形を示す。Fig-1 で縦軸はオプティカルデンシティ一 (O.D.) で 表 さ れ 、横軸は時間を示す。システムの S /N の向上のためには光源、測 定 器 、 ライナックのそれぞれの性能向上が要求される。このうちライナック个生能向上としては以下のことが考えられる。 1) ビームの電荷 量の増大、2) パノレス繰り返し数の増大、3 ) ビームのパルス毎の安定度と長時間安定度。今回は3) のビームのパルス毎の安定度と長時間安定度について 1% 以内を目標に実 ,験 を 行 っ た 。
< 2 8 M e V ライナックの構成とビーム安定性の測定方法 >2 8 M e V ピコ秒、ライナックの構成を Fig- 2 に示 す 。発振器は水晶の 1 1 9 _ z を基準周波数として、4 7 6 M H z 、2856 腿 z を発生する。入射部構成はぃ
電子銃は Y-796 ( アイマック社） を使用し、476MHzSHB 及び 2856MHz PB でピコ秒シングルビームのバンチンダを行う。カロ速管はC . I •型 1 . 7 m と2.0m を直列に導波管で結合し、6 M W クライストロンパワ

一を供給する。エミッションの制御は、マイクロ波と同斯をとったトリガパノレスを板極管(7211)あるいはアバランシエトランジスタ一で作ったグリッドパルサ一へ加え 1.4ns のパノレス出力とバイアスで制御する。また、ビーム電流の安定性の測定は 3 籠 0 スリットを通過させた電流を同軸型ビームキヤッチヤで受け、平均電流をレコ一ダに言證录すると同時にタイムプロファイルをオシロスコープで測定した。また各コンポーネントの安定度は差動アンプ (TEK 7A13) を用い 0,1 %以上の分解能で測定した。ビームは主に繰り返し 50pps で ピコ秒シングルビームを用いた。

< ビーム不安定性の要因 >ビーム不安定性の要因となる主な項目を以下に述べる。

エ ミ ッ シ ョ ン 電子銃エミッションに対する電子銃パルサ一の影響は I=PV3, 2 か ら 、電圧変動の1.5 倍が電流蒙動となる。また、板極管グリッドパルサ一の場合 B 電 源 パ ル サ 一 （2kV 板極管プレ一ト電圧用) の電圧変動もエミッション変動となる。更にピコ秒単パノレスビーム出力に対して電子銃エミッションのジッタ一の増大は Fig-3 に示すごとく、メインパルスのピーク電流の減少とともにサテライトビームの増加となる。メインピーク電流の変化を 1%以下とするためには卜リガのジッターとドリフトは土 40ps 以下としなければならない。
マ イ ク ロ 波 Fig- 4 の実験結果より、1%以下に電流変動を押えるためにはマイクロ波の位相の変化
は 2856 丽 zで ± 6 。
以内 476MHz で 1。
以内に押えなければならない。クライストロン電圧変動に対するクライストロンの位相の変動は現有のクライストロンでは 1% の電圧変動は約 6 。の位相変動をおこす 。また、クライストロン電圧変動に対するビームエネルギー変動は 1.25 倍 で あ る 。 ライナックのエネルギー変動を 0.1% 以内にするためには、現在のシステムでは周波数変動で（d f / f ) = 3.44ppm(9.71KHz) 以下でなけらばらならい。現有の発振器の周波数変動は主に環境の温度変化に影響され力タログ性能では 1 •S p p i i i U l S K H z ) / ^ である。従って 0 . 1%のエネルギー変動に押えるならば温度コントロ一ルを ± 0 •5°C以下にしなければならない。
冷 却 系 カロ速管の温度の影響は、50kE/° C の周波数変動として計算される。 これを 0.1 %エネルギ— 変 動 に 押 え る た め に は 周 波 数 変 動 ( d f / f ) で 約 lOKHz である。従って力D速管の温度コントロ一ルとして 0.2°Cに安定させなければならない。
電 磁 石 電 流 ビーム出口に 3 誦 0 のスリッ卜を設けてビームを取出しているため、電磁石電流変動はビーム誘導系の軌導の変化に大きく影響する。そのため各電磁石電流の安定度も重要である。
働請源

動

電力会社からの電圧変動は ± io% ある。従ってライナックのパルサ一閨係には自 動 電 圧 調 整 器 ( A V R ) を通じて電力が送られる。現有の A V R の出力変動は士 2 . 5% 以内である。
室 内 温 度 室内温度の変化は各種電源のドリフトやマイクロ波ケ一ブル及びトリガ伝送ケ一ブノレの伸縮による位相変イ碰びにトリガのタイミングの変化に影響する。各手重電?原の電圧、温度イ系数は約 l O O p p m / X 程 度 で あ る 。同期回路に使用している電源電圧の変化と時間ドリフ卜は 1 .6 2 5 p s /m V と計算されるため 10ps に押えるためには 6.25niVの変動に押える必要がある。 10V 電源では室内温度を土 3°C以内に押えなければならない。ケープノレ（5 D 4 E ) のノくノレス遅延時間はTg = 3 . 6 n s / m で
与 え ら れ 、ま た 温 度 変 化 は ( 6 T g / 6 T )ニ

3 x l 0 4 n s / i n / ° C である。従 っ て lOOniケーブルを使用した場合 3ps/° C になるため 10ps 以内に押えるには約 3°Cの室温の変化に押える必要がある。

< 各コンポ一ネン卜の安定度 >各コンポ一ネントの安定度について測定した結果を Fig-5 に示す。

F ig _ 5 の結果から、各種の電圧変化よりエミッションの変化は 0.2%J以下と推定する。また 、 2856
M H z マイクロ波の 1.4%/ くノレス毎の位相変動は9 0 。
ハイプリッド位相検出回路での測定黯果であり、出力変動 0 . 7 % / 2 H r を考慮しても 1°似 下 の エ ネ ル ギ ー 変 動 に 押 え る こ と が で き る 。発振器の周波数変動は実測した結果 ( U 2 p p m (2856MHz 系 で 1 . 2 K H z ) であり、発振器のクーラ一の温度コントロ一ルが実測でも土 0 .5°C以下であった。周波数の変動周期はク一 ラ一の周期に一致しており約 10分である 。 この場合の周波数に対するエネルギー変動は 0 . 0 1 5 % と計算上ほとんど影響がない。更に電磁石電源の変動に伴うビーム変動は特に雛則されなかった。従って 0.3 %という電流変動の設計性能は現段階ではほとんど問題なかった。その他冷却系温度と室内温度も現段階では特にビームに対しての影響は確認できなかった。
ぐ同期卜リガのジッタ一とドリフト >ピコ秒オーダ一での同期卜リガのジッタ一及びドリフトのヒストグラム測定が TEK C S A 8 0 3 、SD24 サンプリングスコープを使用することにより今回初めて測 定できた。その結果、F i g - 6 に示すように各素子のジッタ一の定量化ができ、各コンポーネントのピコ秒オーダ一でのドリフトの測定も可能となった。特に同期回路での電源変動に伴うドリフ卜の測定は重要であり、ピコ秒単パノレスビーム出力の長時間安定性の測定も可能となった。Fig-

7 にピコ秒単パルスビームを同軸キヤッチヤ一で測定した結果を示す。 この結果グリッドパルサ一までのジッタ一は、 6.692ps ( R M S ) であ り 、ビームのジッタ一は 7.816ps ( R M S ) と結論できる。

< ピコ秒単パルスビーム電流の安定度>

ビーム出口 3min0 スリットを通過した後の同軸キヤッチ

ヤーによるパノレス毎のビーム電流の安定度を測定した結果を F ig-8 に示す。Fig-8 はピークを拡大したものであり、その変動巾は士 0.3% であった。また平均電流による長時間安定度を Fig- 9 に示す。
その結果 ± 0 。
6 % / 8 0 m i n という結果が得られた。

< 今後の方針 >ビームの安定度に関しては、各コンポーネントが最高の性能を出して初めて長時間の安定度が得られる。そ の た め に は 各 コ ン ポ 一 ネ ン ト に つ い て 常 時 下 で の モ ニ タ ー 及び連続言靡录が必要である。更に 0.1 %の安定度を求めるにはジッタ一を更に小さくしなければならな い 。また、現在の同期回路では各パルサ一に対して 32ns 程度のタイミングのゆらぎがある。これをより少なくするためには、 2 重同期回路方式や高周波での同期回路方式にする必要がある。
更に各コンポーネントの安定度の目標も 0 •1%以内とする必然がある。

.

OD

102 7 E * 0 0

U n 今.ヲe 3 7 E -© i.78^eE-0i. 6 &3 5 E - 6 1.5424E-61.4 2 1 4 E -8 1.3©e3E-8i.

1 7 9 2 E -6 1.5 8 0 9 E - 0 2-.6 3 6 0 £ -0 2i

16320 530741Q

51261 47 i7819

9211 02 4ン，、七 甘 ノF i g - 1 ピコ秒単パノレスビ一による吸収波形

Fig~2 28MeV LINACf 冓成図^ 乂凶

% 0 9%00分類

測定

項目測定

值83s nd2-1

76今

5490

33t
T13<1_lエ ミツ シ 3ン1) 韋 子 錄 パ ノ け 一 圧 変 動< ( U 2 ! i / パルス毎2)グリ ッ ドパ ルサ 一 電圧 変動< 0 . 2 X / パルス毎3 )ヒータ電力o<22 8 5 6 M H z1)ク ラ イ ス 卜 口 ン 電 圧 変 動< 0 . I X / パルス 毎

マイクロ波2 )ク ラ イ ス ト ロ ン 位 相 変 動< 1 . 4 ，/3 )ク ラ イ ス 卜 ロ ン 出 力 変 動< 0 .7 K /2 H r1 ) S H B . アン プ 位 相 変 動< 0 . 3 ゾ Hrca)

4 7 6 M H z

50iOO

D E L A Y

T I M E

150マイクn 波

200r 温度変化

0 真空 g 変化(フェーズa ツ ク 有 ）X

10-* to r r

パル ス 毎( 役計倍）2 ) S H B アンプ出力変動< 2 .4 X /2 H r( P S )

発 振 器

1) 周 波 数 変 動 (476 MHiで）<200H£(2856 MHi )< 1 .2 K H i

F i g - 3 入射 x ミッションのタイミンク、、とピコ秒単ハ。ルスヒ、-ムの出力とサテライ卜の関係

0.42ppa

電 磁 石電源同期2)発 振 器 の 温 度 コ ン ト ロ ー ル< ± 0 .5 V

1) 電流変動<0.3%

卿 性 能 ）
1) 電 子 统 グ リ ッ ド パ ル サ ー と(ジ ッ タ ー ）< 6 .7 p s

4 7 6 M H z とのジッター(R.M.S)2)長 時 間 ド リ フ ト

冷 却 系

コン卜ロ一ノレ< ± 0 .Sて( 設計性能）

空-4 0-30 -2 0-10PHASE

0102030調

温度変 化< 3 *CF i g - 5 各コンポ一ネン卜の安定度

40(D EG R EES)

Fi g ~ 4 ピコ秒ビ一ムにおけるマイクロ位相の影響（実験値）： 3 .2 4 0 p* .

Tt

T 2 ： 2 .5 9 8 p s

Tt ■«2 ♦ T 22 ♦ T 32

T 3 ： 5.24S p s-Tt

6 .6 9 2 p s

B A S IC

SYNC

A B C

D ELAYJIT T E R

C IR C U IT

C IR C U IT

G R ID P U L S E R&Tr- T 4 ： 3 .1 6 0 p sT r

-V T t 2 ♦ 丁22 ♦ T a 2 ♦ T 42-

7.401 p s

Fig- 6 トリガ系ジ ッターの 計測| 觸銷F ig- 7 ピ コ 秒 単 ^ノ レスビーム出力のジッタ一50mV/div 2 0 p s /d iv

I國 圓_ _ 圖驪鼴國_驪讕讓_騸丨量酬麗騸顬國II B B B t t S O flp j o - 9 ピコ秒単ノくノレスビームの平均電流

F i g - 8 ピコ秒単パノレスビーム出力の安定度( ヒ。- クの拡大） 全 体 2Vの 安 定 度 （3酬 ゆ 透 過 後 ）-339-