Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

PRESENT STATUS AND UPGRADE OF THE L-BAND LINAC IN 2010
AT ISIR, OSAKA UNIVERSITY
Goro Isoyama#,A), Ryukou KatoA), Shigeru KashiwagiB), Yoshikazu TerasawaB), Naoya SugimotoB), Shen JieB),
Sho HirataB), Masateru FujimotoB) , Akira TokuchiB) , Shoji SuemineB)
A)
Institute of Scientific and Industrial Research, Osaka University
8-1 Mihogaoka, Ibaraki, Osaka, 567-0047
B)
Research Center for Electron Photon Science, Tohoku University
1-2-1 Mikamine, Taihaku-ku, Sendai, Miyagi, 982-0826

Abstract
We report the present status and the upgrade of the 40 MeV, L-band electron linac at the Research Laboratory for
Quantum Beam Science, attached to the Institute of Scientific and Industrial Research, Osaka University. The linac wasoperated as usual for 204 days in the fiscal year 2009. The major trouble is discharge in the RF power transmission linefrom the klystron to the linac. Effects of the trouble to users experiments were minimal because the machine time wascompensated for with shutdown days for maintenance. We report the present status of development of a laserphotocathode L-band RF gun and of speed-up of the phase and the amplitude control of the RF power.

阪大産研 L バンド電子ライナックの現状と性能向上（2010 年）
1.

広い時間領域のパルスラジオリシスによる放射線化学の研究や赤外自由電子レーザーの開発研究などに利用されている。平成 14 年（2002 年）に大規模な改修を行い、運転の再現性と安定性が格段に向上した。
L バンド電子ライナックの平成 21 年度の運転と保守及び故障の状況、性能向上と開発研究の現状を報告する。

はじめに

L バンド電子ライナックは、大阪大学産業科学研究所附属量子ビーム科学研究施設（平成 21 年 4 月1 日研究所の改組のより発足）が所有する３台の電子ライナックの１台であり、熱陰極電子銃と、周波数が 108 MHz の RF 空洞２台と 216 MHz の空洞１台からなるサブハーモニックバンチャー（SHB）システム、周波数 1.3 GHz のプレバンチャー、バンチャー、長さ 3 m の加速管から構成され、電子ビームの最大加速エネルギーが 40MeV で電荷量が最高記録で 91 nC の大強度単バンチ電子ビームを加速することが出来る。ライナックは、昭和 53 年（1978年）に完成して以来、大阪大学の共同利用に供されており、マイクロ秒からナノ秒、サブピコ秒に至る

過渡

定常

マルチバンチ2.

平成 21 年度の L バンドライナック運転日数を、月別、モード別に図１に示す。過渡モードは、ナノ秒パルスラジオリシス用の運転モードであり最も利用頻度が高い。単バンチモードは、サブピコ秒パルスラジオリシスや SASE の発生実験、マシンスタディーなどに使用される。マルチバンチモードは、FEL 用の運転モードで、定常モードはビーム強度が必要な照射実験用運転モードである。今年度は、24件の研究課題が共同利用に採択された。前期は保守作業の 18 シフト（日）を含む 118 シフトが、後期は保守作業の 21 シフトを含む 119 シフトが分配された。保守運転を含む平成 21 年度の運転日数は204 日であり、運転時間実績は約 2,600 時間である

単バンチ

25日数

20153.

10045678910111212

保守及び故障の状況

これまで問題が多発していたクライストロンモ
ジュレーターの高電圧・大電流スイッチングシステ
ムは、昨年度サイラトロンを e2v 社製の CX-1528 から L3 communications 社製の L-4888B に変更して以来、きわめて安定に動作している。この 1 年間、サイラトロンが原因のトラブルは 1 度も観測されなかった。
6 月 に SHB 用 RF パ ワ ー ア ン プ 2 号 機

53月

図 1 平成 2 １年度 L バンドライナック月別運転日数___________________________________________#運転状況

isoyama@sanken.osaka-u.ac.jp-93-Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)（108MHz）の出力低下が顕著になった。この RF 変更していた。その後、この配置で問題が発生した
パワーアンプはトランジスタのプレアンプと２段の ため、後半部分を切り離し、固定 2 段、可変 14 段
真 空 管 ア ン プ よ り な る が 、 後 段 の 真 空 管 の全 16 段（Normal モード 10 段、Long pulse モード（RCA7214）の寿命であると考えられたので新品と 16 段）で運転してきた。この状態では固定 2 段の交換したところ正常に復帰した。
インピーダンスを変えることができないので、クラ8 月の保守運転中に冷却水ポンプとエアーコンプ イストロンへ供給するパルス電圧の平坦部を調整すレッサーが突然停止した。調査の結果、動力盤の制 る時の自由度が制限される。クライストロンを交換
御電源用ブレーカの故障であることが判明し、新品 する時にインピーダンスマッチングを取りにくいなと交換して復旧した。9 月にも別系統の制御電源用 どの問題が考えられることから、全 16 段を再びイブレーカが同様に故障したので交換・復旧した。
ンダクタンス可変の回路に戻す作業を行った。この
10 月の保守日に SHB 用 RF パワーアンプ 3 号機 結果、Normal モードのパルス幅はこれまでよりも（216 MHz）の点検整備中に、後段真空管の入力イ 若干短くなるが、現在は定常モードの利用が無いこ
ンピーダンス整合用スタブのハンダ付が外れている とから問題はないと考える。のを発見したので、これを補修した。また 10 月末
パルストランスや分圧モニターに過度の高電圧がのライナックの立ち上げ調整中に偏向電磁石電源が かかり放電によりこれらが破壊することを防ぐ目的電磁石の初期化プログラム(消磁プロセス)から復帰 で放電球を導入した。これまでは効果を確認するたできない症状が見られた。制御系の故障ではなく、 めの仮組込の状態であったが、今回、これを油中か被制御機器の問題であることが分かったので、この ら取り出さなくてもギャップ間隔が調整できるよう電源を予備電源に交換して運転を通常通り開始した。 に取り付け方法を変更した。
翌日の昼休みを利用して、製造会社の技術者が故障
1 月に入り、Long pulse モード時のビーム変動がした電源を現場で検査した後、翌週の保守日に制御 無視できないレベルになった。特にパルス後半での基盤上のロジック IC を交換して正常に復した。
変動が大きいことから放電が原因ではないかと疑っ
12 月末にはクライストロン室のエアコンが動作 た。立体回路各部での RF 波形のモニターから放電不能になったが、予備のエアコンを使用してライ 箇所がバンチャー系ラインで起きている可能性が高ナックの運転を継続した。故障の原因はモーターと いと考え、その一部を分解して目視で異常の有無をファンを繋ぐドライブベルトが経年劣化により切れ 確認した。その結果、図２に示すように導波管内にたものである。同時期に導入した発生装置室のエア 多量の SF6 ガスの放電堆積物を確認したため、製造
コン 3 台のベルトも点検したところ、何時破損して 会社に放電箇所の特定と復旧作業を依頼した。翌週もおかしくない状態であったため、これら 4 台のエ の保守日 1 日とそれ以降 2 日間のマシンタイムを中アコンのドライブベルト全てを交換した。
止して復旧作業にあたった。中止した 2 日間のマシ
また、昨年度予備品として購入した e2v 社製のサ ン タ イ ム は 後 の 保 守 日 で 補 償 し た 。 作 業 は バ ンイラトロン（CX-2411）の保証期限が迫ってきたの チャー系と主加速管系のパワー分配用ハイブリッドで、この動作確認のために年末の作業でサイラトロ からバンチャー系の可変減衰器までの区間をすべてンを交換した。同時にモジュレータ内の PFN 回路 取り外して分解するところから始めた。分解清掃をを組み換え、パルストランスタンク内の放電球調整 行うことで、放電堆積物を取り除き、今回のトラブ部を更新した。PFN 回路は一時期、インダクタンス ルの原因となった放電箇所が、バンチャー系からプ可変の 16 段（Normal モード 10 段、Long pulse モー レバンチャー系へパワーを分配するための導波管方ド 16 段）に対して、固定のインダクタンス回路を 向性結合器にあることが判明した。この方向性結合
持 つ 回 路 を 前 後 に 2 段 ず つ 追 加 し 、 全 20 段 器は、並行する 2 本の導波管に仕切り用金属板を挟（Normal モード 10 段、Long pulse モード 20 段）に んで束ねた構造を持ち、この金属板にパワー結合用の穴が開いている。電気的な接触を取るために金属板と導波管の間に銅の編組線を挟んでいるが、パワー増大による発熱でこの編組線が燃え落ちて断線したことが原因であることが判明した。仮の措置として、以前使用していた旧い導波管結合器に交換すると同時に、バンチャー系ラインへの入力 RF パワーを押さえるためにパワー分配比率の低いハイブリッドに交換して運転を再開した。故障した導波管
方向性結合器は、高 RF パワーに耐える構造に改造して、３月末に元のシステムに戻し復旧した。
１昨年から引き続いていた主加速管の冷却水路から大気側への水漏れは現在止まっている。年度末にこの漏れ箇所を補修するための作業を計画していたが、少なからぬリスクを伴う作業であるため、再度水漏れが起きて運転継続が困難になった時点で行う
図２ SF6 の放電による分解化合物が堆積したことにした。また長期的に見たときには、いずれク
導波管方向性結合器内部-94-

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ラックが成長し、現行の加速管が使用できなくなるときが来ると考えられるため、加速管の新規製作を検討している。

4.2

phase detector [V]領域の自由電子レーザーの開発である。FEL 用のエネルギーが揃った長パルス多バンチビームを発生するためにフィードフォワード法により RF パルスの位相と振幅を制御している。現在利用している変調４．ライナックの性能向上と開発研究システムは、位相と振幅を個別の素子で変化させる。
次の段階として時間応答性の良い IQ 変調器を用い4.1 L バンド RF 電子銃る位相・振幅の同時制御システムを開発中である。
長期的的視野に立ち、電子ビーム利用研究と L バ IQ 変調器は、90 度位相の異なる 2 つの RF を各々ンド電子ライナックの高度化を図るために、大強度 振幅変調した後に合成する事により、RF の位相振かつ高品質（大電荷量・低エミッタンス）電子ビー 幅同時変調を可能にするものである。しかし、実際ム生成が可能な L バンド RF 電子銃の研究開発を開 には 0 度成分（I 成分）と 90 度成分（Q 成分）の始した。この研究開発は KEK の加速器科学総合支 RF 間で完全な独立性が保たれておらず何らかの補援事業「大学等連携支援事業」のもとで KEK、広 正が必要である。I ポートと Q ポートを制御する電圧信号に対する応答特性を事前に測定して、その各島大学と共同で行っている。
我々の目的は、この研究開発に参画することで、 ポートの特性をもとに一次近似補正を加える。更に
L バンド RF 電子銃開発のノウハウを蓄積し、それ 位相と振幅を繰り返し制御することにより、最終的を利用して阪大産研のＬバンド電子ライナックに導 に位相・振幅の目標値からのずれを 0.4 度、0.4％ま入可能なＬバンド RF 電子銃空洞の設計および製作 で小さくするに成功した。次に、Ｌバンドライナッを行うことである。これまで図３に示すように、ア クに供給する RF パルスの位相・振幅変調を IQ 変ルミ製の試験空洞を製作することで RF 電子銃空洞 調器のみで行った。図４に加速管入力部で測定した、の内形状と共振周波数および電場分布の関係を明ら 補正有りと補正無しの RF の位相と振幅波形を示す。
かにするとともに、ショート板の位置を改良した同 補正を加えた平坦部に僅かに細かな変動が見られる軸導波管結合器を製作し、その特性測定の結果から、 が、同時変調により、位相が約 1 度、振幅を 0.6〜
新たに製作する同軸導波管結合器の形状を最適化し 1.5％まで平坦化することができた。この変調シスた。また、KEK の超伝導加速器試験施設（STF）で テムを用いて、補正しない場合に約 5％(FWHM)あのビーム加速実験に用いる L バンド RF 電子銃は、 るマルチバンチ電子ビームのエネルギー拡がりを約
日 米 共 同 開 発 の 一 環 で 米 国 フ ェ ル ミ 国 立 研 究 所 2.3%に低減する事に成功した。
（FNAL）において製作されているが、我々自身でFNAL 製のＬバンド RF 電子銃空洞の最終周波数調6.8
整および電磁場分布調整を行った。この研究で得ら6.7
れた知見と熱解析の結果をもとに現在阪大産研用の~1 deg
without
modulation
6.6
Ｌバンド RF 電子銃空洞の製作に取り掛かっている。
RF パルスの位相・振幅制御

L バンド電子ライナック利用の一つはテラヘルツ

6.5with modulation
target = 6.5 [V]

6.4
6.3
6.2
6.1
64

68

10time [us]1214

diode detector [V] at Acc-IN-0.026
without
modulation-0.028~0.6 %-0.03

with modulation
target = 32.0 [mV]
-0.032~1.5 %-0.034-0.03646810

1214time [us]図３ L バンド RF 電子銃の RF 空洞と同軸型入力結合器の低レベル試験

図４ IQ モジュレーターによる RF パワーの位相と振幅の早い制御-95-