ILCに向けたSTF-2クライオモジュールによるILCス
ペックと同等の電流、パルス長を持った電子ビームの加速運転達成
倉田 正和
KEKON BE HA L F OF T HE ST F - 2 COL L A BOR AT ION,加 速 器 学 会 , 8 / 2 9 - 9/1, 2 0 2 3
WEOA8STF-2 Collaboration
Masakazu Kurata, Yasuchika Yamamoto, Eiji Kako , Kensei Umemori , Hiroshi Sakai,Takayuki Saeki, Takeshi Dohmae , Mathieu Omet , Ryo Katayama, Hayato Ito,
Hayato Araki, Toshihiro Matsumoto, Shinichiro Michizono, Masato Egi , Mitsuo
Akemoto , Dai Arakawa, Hiroaki Katagiri , Masato Kawamura, Hiromitsu Nakajima,Hitoshi Hayano , Masafumi Fukuda, Yosuke Honda, Miho Shimada, Alexander
Aryshev , Masao Kuriki , Keisuke Date, Zachary Liptak, Kazuyuki Sakaue , Hirotaka
Nakai , Yuuji Kojima, Kazufumi Hara, Teruya Honma , Kota Nakanishi, Hirotaka
Shimizu, Yoshinari Kondou , Akira Yamamoto, Nobuhiro Kimura, Sakae Araki, Yu
Morikawa, Takahiro Oyama , Shinichi Takahara , Mika Masuzawa , Ryuichi Ueki,Yoshihisa Iwashita, Yasutoshi Kuriyama

Univ. of Tokyo, KEK, Hiroshima Univ., Kyoto Univ.

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Introduction
STF-2は国際リニアコライダー(ILC)における基幹技術のひとつである、超伝導加速の実証を行うための施設である
STF-2の目的: ILC実現のためにILCのスペックによるビーム運転を行う
 高加速電界による加速(ILCスペック or それ以上を実現)
 ビームロスのない、長いパルス(726μsec) & 高い電流ビーム(5.8mA)運転 ビーム品質の維持: 低エミッタンスビームをダンプまで輸送
上述を実現するため、精力的にR&Dが行われてきた今回、ILCスペックと同等のパルス電流・パルス長を持つ電子ビームでの運転を達成
 その結果について報告する

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STF-2加速器
~70 m 超伝導直線型加速器（726μsec/5Hz）• F. Y. 2022年のSTF-2スペック

超伝導空洞：14（1.3 GHz、9-cell）
クライオモジュール：CCM（2） CM1/CM2a（12）Max. Energy [MeV]500

Max. Beam Intensity [µA]21.5

（規制庁への申請書の数値）

RF電子銃 （Cs2Te、Q.E.~1%）
Max. beam power [kW]レーザーシステム：162.5 MHz, 266 nm, 1μJ/bunch
クライストロン：3（5 MW、800 kW、10 MW)
ビームダンプ: 2（Dump2: 37.8 kW）
4Kヘリウム冷凍機: 1 + 2K Cold box: 29.675

各種ビームモニタ:
位置モニタ, 電流モニタ, プロファイルモニタ
偏向電磁石(ダンプへ)： 24

Plan of STF-2 beam operation※ILCスペックと同等のパルス長、beam intensityでの運転が最終目標
F.Y.2019

F.Y.2020

Item

F.Y.2021

F.Y.2022

ILC spec.

～100μsec pulsex 7 beam power

Max. beam energy [MeV]

500

500

500

500500 GeV

Max. beam intensity [μA]

0.30

3.00

3.00

21.5

21.0

Max. beam power [kW]

0.135

1.350

1.350

9.675

14 MW

Max # of bunch / train

1000

1000

16260

1180481312

Bunch spacing [nsec]

6.15

6.15

6.15

6.15554 nsec

Max train length [μsec]

6.15

6.15

100

726.00726.848 μsec

Max. RF repetition rate [Hz]55555 Hz

Bunch charge [pC]

60

600

36.90

35.66

3.21 nC

Bunch current [mA]

9.756

97.561

6.00

5.799

5.8 mA F.Y. 2022の運転ターゲット：ILCと同じスペックのパルス長（726µsec）で、かつビームロスを抑制した大電流運転(5.8mA)
 ILCとパルス構造は異なるが、バンチ数・バンチchargeの調整で同じ値を目指す
バンチ間隔 (nsec)

バンチcharge [pC/bunch]

ILC554

3.2×103

STF-2

6.15

355

ILCスペックを満たすビーム運転のために•2021年12月(前回) パルス長100μsecビーム運転の達成: ビームロスの抑制
 ビームロス抑制のためのLLRF, およびビーム調整のstudy FY2021のビーム運転におけるビームパラメータを目指した ターゲットと同じパルス長で実施し、ビームロス抑制を実証

2022年11-12月
 ILCスペックを満たすビーム運転の達成: 3つのポイント
 ILCスペックと同じパルス長: 726μsec
 + ILCスペックと同じ電流: 5.8mA (>35.0 [pC/bunch]) + ILC targetの加速勾配でのビーム加速: 31.5MV/mparameter

Beam Energy[MeV]

Pulse length[µsec]

Bunch charge[pC/bunch]

Rep. rate[Hz]

F.Y.2021

500

10036.95ビーム運転実績2021

Beam Energy
312
[MeV]

98.4

Pulse length[µsec]

26

Bunch charge[pC/bunch]

5F.Y. 2022

500

726

35.7

5ビーム運転実績2022

293

726

35.0

5Rep.
rate [Hz]6

Achievable Accelerating Gradient
CCM

CM1

CM2a

ILC spec.

• 10/14 空洞の性能はILCスペックの ±20%内• CAV#6, #3は異常な熱負荷で性能劣化• CCM, CM1のCAV#1はF.Y.2022運転で徐々に性能劣化

ビームローディング補償安定なフラットトップの加速電界を得るために: 不規則な擾乱: フィードバックループにより補正
 規則的擾乱: フィードフォーワード – あらかじめ補正入力を入れる⇒ 電圧降下を補償する

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ビームロス抑制のためのモニタ
CCM下流から1mおきにフォトダイオードを設置。壁面衝突からのγ線を検出する◦ Beam OFF: RFgunから来るDark current起因の放射線を検出している◦ ここから大きく変わらないようにビーム調整ロスしたとき◦ 例) パルス後方がロス大きい信号検出

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ILCスペックを満たすパルス長・電流運転•ILCと同等のパルス長でビーム運転し、バンチcurrentを上げて同等の電流を目指した•ビーム調整:• BH2• CM1/2a phase• シケイン• 逐次軌道調整•パルス長は比較的簡単に達成(低電流)•単純にcurrentを増やそうとRFgunの出力を上げると空洞がクエンチし、苦労した•最終的に118000bunch, 35pC/bunchに到達し、運転させることに成功◦ 1h運転◦ 最大ビーム強度 ~5.6kW◦ 平均勾配: 24.9MV/m◦ Energy : 293MeV◦ Average intensity: ~20.7 µA
10電流モニタの波形•ICT波形の後ろ側の信号が小さい◦ 低エネルギー部分がシケインで落とされている•そのため、シケイン磁石電流を調整して低エネルギー側が通るようにする•さらに、シケインのスリットを開放してシケインで落とさないようにした。
→これによりcurrent増大が容易になった
ACCT

調整前

調整後
ICT01
ACCT

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高加速勾配によるビーム運転•ILCスペックのビームを高加速勾配で加速させる運転を目指した。
◦ CM1/2aは性能の良い8台で運転◦ ビーム調整はこれまでと同じ方針で行った•118000bunch, ～32pC/bunchで運転◦ 平均加速勾配: 30.06MV/m◦ Energy : 293.0MeV◦ Average Current : ~19.2 µA• 空洞のクエンチとのせめぎあいとなった◦ なぜ空洞電圧をあげてビーム加速するとクエンチしてしまうかが課題となった◦ 調査が必要12

エネルギー差見積り•ビーム運転中のパルス内位置でのエネルギー差の見積もりを行った•パルス内61.5μsecごとの位置でのエネルギー差◦ E=291-293 [MeV]◦ バンチ間エネルギー差 ～1.5%•Feedforwardにもかかわらず、まだパルス内位置でエネルギー差がある◦ RFGunに照射するレーザーのパワーのprofileが反映していると思われる◦ パルス後方のエネルギーが高くなるビーム調整になっている•レーザーパワー安定化、あるいはFF tableの改善によりよくなると期待される◦ feedforwardを矩形波 → adaptiveに変更◦ 詳細調査が必要
最大4%差があるとacceptanceを超えてビームロス制御不能→これはクリアできている13

異常なエミッタンス増大•2019年以来、エミッタンスの異常な増大が確認されている•エミッタンスが異常に増大: デザインの何倍も大きくなっている• O(1)[mm mrad] ⇒ ?? ⇒ O(10)[mm mrad]⇒この増大の原因を突き止めたい
QF03

QF04 QD05

QF07??
QF03 x

QF03 yQF07 x

QF07 yF.Y.2021の結果summary: 空洞前からO(10)14CCM detune運転•CCMで加速させずにビームをダンプ(Damp1)に到達するように調整をおこなった。
PRM04

PRM05

detune• この結果、CCMに入射する際のより良い軌道に調整することができた→エミッタンスが劇的に改善•RFGunに照射するレーザープロファイルを改善• バンチ内に余分な塊を作らないように調整前

調整後

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エミッタンス@2022•劇的に改善した: 3-7 [mm mrad]• まだデザインより大きい: レーザープロファイルの微細構造？

•空洞でのエミッタンス増大効果は小さい
QF03

QF04 QD05

QF07

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SummarySTF-2では、ILCのための超伝導加速を実証してきた。

•加速空洞運転:• 14台の加速空洞での運転達成• 最大エネルギー384.9MeVでの運転達成
 加速勾配33.0MV/mでの運転達成: ILCスペックの5%マージン

ビーム運転: ILCスペックと同等のパルス長(726μsec)での安定運転達成
 ILCスペックと同等のバンチ電流(5.8mA)での安定運転達成
 加速勾配30.06MV/mでの726μsec, ～5.8mAの運転実証
 加速勾配を上げた場合のクエンチの調査が必要

種々のコンポーネントを調査した結果、

 エミッタンス O(10[mm mrad]) → 3-7 [mm mrad]
 空洞のエミッタンス増大効果は小さい
 まだデザインより大きいので、調査が必要
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backups
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ILC Project• Higgs factory machine (250 GeV @ECM)• Superconducting cavity/cryomodule technology as mass production• ~750 Cryomodules (challenging number, but not impossible!)• Nano beam technology• Candidate site: Kitakami in Japane‒e+
ILC Spec.

Eacc

Q0Vertical Test

35 MV/m

0.8 x 1010

Cryomodule test

31.5 MV/m

1.0 x 1010>90% (successful rate)

Brief history of STF-2 project
DateContent2010

Fabrication of cavities / power couplers

2011 ~ 2013

V.T. for 12 cavities / RF conditioning for 12 couplers

Jun/2013

Cleaning up STF tunnel

Jul/2013 ~ Apr/2014

Cavity string assembly (three times)

Oct/2013 ~ Jun/2014

Module assembly (CM1/CM2a)

Jul/2014

Complete certification for High pressure Gas CodeOct/2014 ~ Dec/2014

1st cool-down / low power test

Apr/2015 ~ Jul/2015

5MW Klystron / Single waveguide system completed

Jul/2015 ~ Sep/2015

Coupler conditioning at room temperature

Oct/2015 ~ Dec/2015

2nd cool-down / high power test (single cavity operation, performance check)Jan/2016 ~ Jul/2016

Multi-beam Klystron & Waveguide system completed (selection of 8 cavities)

Jul/2016 ~ Sep/2016

Coupler conditioning at room temperature

Sep/2016 ~ Nov/2016

3rd cool-down / LFD, Q0 measurement, 8 Cavities Operation & LLRF study

Aug/2018 ~ Dec/2018

Beamline construction

Jan/2019 ~ Mar/2019

4th cool-down / Beam commissioning w/ 10+2 cavities , Machine study

Aug/2019 ~ May/2020

CM2a disassembly / Cavity exchange (Cavity #9: MHI-24 → MHI-31) / CM2a reassembly

Jul/2020

Acceptance of pass certificate for high pressure gas regulation

Aug/2020 ~ Sep/2020

5th cool-down / low power test

May/2020 ~ Dec/2020

Waveguide system construction / Upgrade for beam dump system / RF Gun improvement and operation

Jan/2021

High power test for waveguide system / RF conditioning for power couplers at room temp.

Feb/2021 ~ Apr/2021

6th cool-down / high power test, beam operation w/ 12+2 cavities

Nov/2021

Inspection on inside CM1/2a by telescope

Nov/2021 ~ Dec/2021

7th cool-down / high power test, beam operation w/ 12+2 cavities

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