Proceedings of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 1-3, 2017, Sapporo, Japan

PASJ2017 WEOM09

SuperKEKB LER での圧力バーストの観測
THE OBSERVATION OF PRESSURE BURST IN SUPERKEKB LER
照井真司#, 久松広美, 末次祐介, 石橋拓弥, 白井満, 柴田恭, 金澤健一, 池田仁美, 船越義裕
Shinji Terui#, Hiromi Hisamatsu, Yusuke Suetsugu, Takuya Ishibashi, Mitsuru Shirai,
Kyo Shibata, ken-ichi Kanazawa, Hitomi Ikeda, Yoshihiro Funakoshi,High Energy Accelerator Research Organization (KEK) 1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801

Abstract
A problem during the Phase-1 commissioning was the localized pressure bursts accompanied by beam losses andobserved in the positron ring (Low Energy Ring: LER). The beam loss monitors triggered beam aborts, and sometimes
the phenomena became an obstacle to the beam commissioning. These pressure bursts were frequently observed from theearly stage of the commissioning. Most of the pressure bursts occurred near or inside of Aluminum-alloy beam pipes in
dipole magnets, which have grooved surface at the top side. It was indicated from the various observations andexperiments that the most probable cause of this phenomenon was the collision between the dusts dropped from thegrooves and the circulating positron beam. We report the properties of the pressure bursts, the probable causes, andpossible mitigation methods.
生する傾向にあるようだ。

1.

初めにSuperKEKB は KEKB B ファクトリー（KEKB）の後継機となる高ルミノシティ電子・陽電子衝突型加速器である。この SuperKEKB 加速器グループとBelle II 検出器を用いて実験を行う実験グループを主体とする SuperKEKB プロジェクトの目的は、ルミノシティを KEKB の達成値の約 40 倍（8×1035 cm-2s1）に上げ、標準理論を越えた新しい物理を探索することである。SuperKEKB 主リングは 7.0 GeV 電子リング(High Energy Ring, HER)と 4.0 GeV 陽電子リング(Low Energy Ring、LER)から構成される。2010 年から建設を始め、2016 年 2 月から 6 月にかけて加速器調整のために Phase-1 運転が行われた[1]。この運転中、ビームロスを伴う圧力バーストが LER で頻発した[2]。ビームロスの結果、ロスモニターが動作してビームアボートを引き起こし、運転に支障をきたす場合もあった。以下では、この圧力バースト現象の特徴、推定される原因、考えられる対策等を報告する。

2.

Figure1 ： Typical example of a pressure burst
accompanied by a beam abort, where the data wererecorded every 10 ms.

頻度と発生場所の予想

Figure 1 は、横軸に時間、縦軸に圧力バースト時のビーム電流（DCCT 信号）と圧力（CCG の信号）を記したグラフで、観測された圧力バーストの典型的な例である。この CCG の電圧値は、FPGA を用いてスキャンタイムを 10 ms にして読み込んでいる。
ビームがアボートされる前に圧力バーストが起きていることがわかる。すなわち、何か圧力バーストを伴う事象が発生し、それがビームロスをもたらし、ロスが大きい場合にビームアボートを引き起こしていると考えられる。
Figure 2 は、ビーム電流 50 mA 以上の運転時間に対する、50 h あたりの圧力バーストの発生頻度である。最大ビーム電流を増やした直後により頻繁に発____________________________________________# sterui@mail.kek.jp

Figure 2：Frequency of pressure bursts (red bar), the beam
currents when the bursts occurred (blue dot) and the
maximum stored beam currents (black line) as a functionof the operation time with a beam current larger than 50mA.

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10 m ごとにある真空計のバースト時の圧力値から ロスを引き起こし、ダストが蒸発したり、発生した圧力バーストの発生場所を特定することを試みた。 イオンが表面に衝突したりした時に発生・脱離した各場所の圧力と発生場所を示す例を Fig. 3 に示す。 気体がバーストとして観測される、と考えられた。
この図は、圧力バーストの発生点で一番圧力上昇が実際、Fig.3 からわかるように、圧力バーストはダ大きく、そこから、均等にガスが拡散するという仮 ストが捕捉さえやすいグルーブ構造を持つ偏向電磁定をして、CCG で観測している場所から、圧力バー 石用ビームパイプに集中している。Figure 5 は、圧ストの場所を推定したものである。距離を横軸に、 力バーストがあった場合となかった場合での、ビー圧力値を縦軸(対数目盛)にとって、圧力値を直線で ムアボート直前のビーム電流のロスの様子を比較し結び、交差したところが赤で縁取られた丸である。 たものである。圧力バーストがあった場合は、なそこがバースト発生点と推定され、それらが偏向電 かった場合に比べてビームロスがゆっくり(数百μs磁石付近に集まっていることがわかる。Figure 3 は に渡って)起こっていることがわかる。これは、ダス一例であるが、LER の多くの場所で、この傾向が見 トがビームの一部に当たり、エネルギーを失い、少られた。LER の偏向電磁石の中のビームパイプは、 しずつロスをしていると考えられる。Figure 6 は、電子雲効果を抑制するために、Fig. 4 で示すような、 圧力バーストを伴うビームアボート時の、ビームグルーブ構造を持っている。[3]フェーズ(黄色)と DCCT でみたビーム電流(黄緑色)を示す。このビームフェーズの振動からシンクロトロン振動が起きているとわかり、シンクロトロン振動の原因はビームがダストと衝突してエネルギーを失ったことと考えられる。

Figure 3： Estimates of the origins of pressure bursts
using the height distributions of measured pressures along
the ring for 6 samples.

Figure 5：Typical beam loses just before the beam aborts
for the cases without (upperside) and with (lowerside)
pressure burst.[4]Figure 4：Inside view of a beam pipe with grooves for abending magnet, and the detailed structure.

3.

発生メカニズムの仮説とノッカー

圧力バーストの発生原因としては、ビームパイプの壁電流による放電や、ビーム起因の Higher Order
Mode (HOM)による放電が考えられた。しかし、発生頻発場所にロスモニターを設置しても、圧力バースト時に信号が見えないこと、ビーム位置モニター
電極に HOM を示す信号が見えなかったこと等から、HOM が原因とは考えにくい。他の可能性としては、
Figure 6： Typical behaviors of beam phase and beam
ビームパイプ内のダストとビームとの衝突が挙げら
current just before the beam abort with pressure burst.
れた。すなわち、ダストがビームと衝突してビーム- 146 -Proceedings of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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捉されたダストが落ちる原因としては、Fig.2 に示すように最大電流を上げたときに圧力バーストが良く起きることから、放射光からの熱膨張などでグルーブ形状の変化が起こり、グルーブとダストの摩擦が弱まったことが考えられる。
さらに、ダストが落ちてきているかを実際に目視で確認するために、Phase-1 運転終了後大気開放をした際に、ファイバースコープをビームパイプ内に入れて、ビームパイプを叩いてみたところ、グルーブからダストが落ちてくるところが、撮影できた。その様子を Fig. 9 に示す。このことから、運転で使われているビームパイプのグルーブにダストが実際に捕捉されていることがわかった。

Figure 7 ： Knocker attached to the beam pipe in abending magnet.

Figure 9: Dust dropping from the groove in the beam pipe
observed at the same timing of knocking.

4.

ダストの成分と発生原因

予備で保管していた偏向電磁石用ビームパイプの中に、カプトンシートや SEM 用テープを敷いて、ビームパイプを叩き、ダストを採取した。この採取上の仮説を実証するために、偏向電磁石内のビー したダストの成分を分析した結果、Si, O を主成分ムパイプに衝撃を与える“ノッカー”を取り付けた。 とする粒子、V, Zr を主成分とする粒子、Ti, O を主
Figure 7 は、偏向電磁石内のビームパイプにノッ 成分とする粒子、Al, O を主成分とする粒子、Fe, Oカーを取り付けた様子である。ノッカーは、ビーム を主成分とする粒子等が見つけられた。
からの放射線を受けても壊れないように、圧空をSi, O を主成分とする粒子は、砂等だと考えられ使って動作するものを選んだ（この圧空配管は、 る。Fe, O を主成分とする粒子と V, Zr を主成分とすゲートバルブに使われているものを分岐させて作っ る粒子は、NEG ポンプが原因だと考えられる。Ti, Oた）。ビーム運転中に、リモート制御できるように、 を主成分とする粒子は、電子雲を抑制するためにFig. 8 に示すシステムを構築した。Operator Interface コーティングしている TiN か NEG 由来のものだと(OPI)から Programmable Logic Controller （PLC）に 考えられる。Al, O を主成分とする粒子は、アルミニ
命令を出して、２４V の ON/OFF することで電磁弁 ウム合金のビームパイプを押し出しで作製した後にのオープン/クローズを行い、ノッカーを動作させる 洗浄しているが、それでも残ってしまったビームパ仕組みである。ノッカーを動作させた際には、アル イプ由来のものではないかと考えられる。Figure 10
ミニウム合金製、銅製のどちらでも、グルーブ構造 に、NEG ポンプ由来と考えられるダストの写真と半を持つビームパイプでは時間差はあるものの 100 ％ 定量分析の結果を示す。NEG ポンプだと推測する原の確率で圧力バーストが起き、ビームがアボートさ 因は、NEG ポンプ以外に真空ビームパイプの中で V,れた。グルーブ構造を持たないものは、ノッカーで Zr を使用したコンポーネントはないからである。
叩いても圧力バーストは起こらなった。このことか
ビームパイプのグルーブに、なぜダストが捕捉さら、圧力バーストの原因に、グルーブ構造は関係し れてしまったのかを推察してみた。前述の通り Al, Oていると考えられる。また、運転時にグルーブに捕 を主成分とする粒子に関しては、製作工程時に捕捉
Figure 8: Remote control system for the knocker test.

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毎のパーティクルの数を示す。ノッカーは５回動作させた。ノッカー動作前後で比較すると、ノッカーを動かした後の方では、0.7μm 以下の粒子は増えていないが、5 μm 以上の粒径の大きいパーティクルが検出されるようになった。グルーブに捕捉されていた粒子の中には、5 μm 以上の大きい粒径のものがあることを示す結果である。

Figure 11: Conductive carbon tape prepared at the top ofa rough pumping system to collect the dust during theevacuation.

Figure 10: A typical dust considered to be generated from
NEG elements found in a beam pipe, and the result ofsemi-quantitative analysis of it.
されてしまったのだと考えられるが、他の粒子に関しては、粗引き時やパージ時に粒子が舞い上がり、グルーブに挟まったのではないかと考えてみた。こFigure 12: Particle counters to count dust sizes and theの推論を検証しようと、Fig. 11 のように、メッシュ
numbers in a beam pipe.
付 O リングの上に、SEM 用導電性カーボンテープを貼り付けて、排気を行った。そのテープを、SEM でTable 1: The Size Distributions of Measured Particles in a
分析したところ、ダストが確認された。このことか
Beam Pipe before and after the Knocking
ら、粗引きで、ダストが舞い上がることが示された。
SEM 用テープに捕獲されたダストで一番多かった成分は、SiO2 と Al2O3 であった。最大粒径は、25 μm以上であった。NEG ポンプ活性化を行った後にも、ダストの舞い上がりを調べたが、NEG ポンプの成分であるダストが増えたということはなかった。次に、ビームパイプ中のダストの粒径を詳細に調べるためにパーティクルカウンター（リオン社製 HHPC-6）を使用した試験を行った。試験方法は、Fig. 12 に示すように、ビームパイプ内部のみ測定できるようにフランジ部分にパイプを挿入してパーティクルをカウントした。Table 1 に、ノッカー動作前後の粒径- 148 -Proceedings of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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PASJ2017 WEOM095.

結論

参考文献

SuperKEKB の Phase-1 運転時に LER で観測された [1] Y. Funakoshi et al., “Phase 1 beam commissioning ofSuperKEKB” Proc. PASJ (2016) pp. 24–28.
圧力バーストを伴うビームアボート現象について[2] Y. Suetsugu, K. Shibata, T. Ishibashi, M. Shirai, S. Terui, K.
様々な観測及び実験を行い、以下のような結論を得
Kanazawa, H. Hisamatsu, Phys. Rev. Accel. Beams, 19た。
(2016) 121001.
１）ノッカー作動時の現象や大気開放時のダストの [3] Y. Suetsugu, K. Kanazawa, K. Shibata, T. Ishibashi, H.
Hisamatsu, M. Shirai and S. Terui, J. Vac. Sci. Technol. -A,
観測から、圧力バーストの原因は、放射光からの熱30 (2012) 31602.
膨張などでビームパイプ形状の変化に伴い、グルー[4] H. Ikeda et al., “Beam abort diagnostics at SuperKEKB” inブに捕捉されたダストが落ち、ビームと衝突したた
these proceedings (WEP089).
め考えられる。
[5] F. Zimmermann, “Trapped Dust in HERA and DORIS”,
２）ビームパイプ内から採取したダストからは、アTechnical Report DESY HERA 93-08(1993).
ルミニウム合金ビームパイプ製作時の切り屑、保管時に混入したと考えられる砂や NEG ポンプや TiNコーティング等由来と思われる、多くの成分が検出された。
３）ダストがグルーブに捕捉さえる原因としては、製作時からの切子の残り、運搬時の振動、粗引きやパージ時のダストの舞い上がり等が考えられる。
しかし、この事象はまだ十分解明されたわけではない。例えば、採取されたダストの成分、大きさで、観測されたようなゆっくりしたビームロスが起きるのか検証が必要である。電子リングで観測されている ダ ス ト ト ラ ッ ピ ン グ の 解 析 [5] に 従 う と 、SuperKEKB のビームエネルギー、ビーム電流値では、数μm～数十μm の大きさのダストは短時間(数μs～数十μs)で蒸発してしまう。この他、ダストは上部のグルーブから落ちるだけなのか、下部のダストがビームに引き寄せられることはないのか、ビームパイプ内の電子雲の影響(すなわちチャージアップ)はあるのか、舞い上がったダストが上側のグルーブに捕捉されるのか、など、さらに検討が必要である。
2017 年度末に予定されている Phase-Ⅱ運転ではBELLE-II 測定器を用いた物理実験が始まる。また、最終収束系として超電導四極電磁石が稼働する。
ビームロスやビームアボートが多発すると、実験の支障となるだけでなく、場合によっては測定器の損傷、超電導電磁石のクェンチをもたらす。そのためには、できるだけ圧力バースト、ビームロスを低減する対策が必要である。ここで述べたように、現状、ビームロスの最も怪しい原因はビームパイプのグルーブに捕捉されたダストとビームとの相互作用である。そこで、Phase-Ⅱ運転前に、ビームパイプをノッカーで予め叩き、グルーブに捕捉されているダストを落としておくことを考えている。現在予備のビームパイプを使って、ノッカーの強さ、ノックする回数などの評価を進めている。

謝辞
Phase-1 運転途中に観測された圧力バースト問題について、多くの助言、協力を頂いた SuperKEKB 加速器グループの皆様に深謝致します。また、ダストの成分を分析してくださった、化学センターの平氏に感謝致します。

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