LINAC UPGRADE FOR SuperKEKB
Toshiyasu Higo#), Mitsuo Akemoto, Yoshio Arakida, Dai Arakawa, Atsushi Enomoto, Shigeki Fukuda, KazuroFurukawa, Yasuo Higashi, Hiroyuki Honma, Naoko Iida, Mitsuo Ikeda, Eiichi Kadokura, Kazuhisa Kakihara, Takuya
Kamitani, Hiroaki Katagiri, Miho Kurashina, Hideki Matsushita, Shuji Matsumoto, Toshihiro Matsumoto, Shinichiro
Michizono, Katsuhiko Mikawa, Takako Miura, Fusashi Miyahara, Takashi Mori, Hiromitsu Nakajima, KatsumiNakao, Takuya Natsui, Satoshi Ohsawa, Yujiro Ogawa, Masanori Satoh, Tetsuo Shidara, Akihiro Shirakawa,Tsuyoshi Suwada, Hiroshi Sugimoto, Toshikazu Takatomi, Tateru Takenaka, Yoshiharu Yano, Kazue Yokoyama,Mitsuhiro Yoshida, Lei Zang, Xiangyu Zhou, Daisuke Satoh A)
KEK, 1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
A)
Tokyo Institute of Technology, Tokyo, Japan

Abstract
Upgrade of the injector linac for the SuperKEKB has been progressing targeting the reduction of emittance by afactor of 100 or so and the increased current by a factor of five. In order to realize these, such upgrades are critical ashigh-charge low-emittance electron source, high-charge positron production, positron damping ring for emittance
reduction, and emittance preservation for both beams along the whole linac. These upgrades should meet consistently
with the simultaneous injection not only to the SuperKEKB rings but also to the Photon Factory rings.
The linac upgrade scenario has decided to meet the commissioning of the SuperKEKB at time T=0 in 2014 with amoderate current, at least 1nC per bunch. We admit the delay, if inevitable by any reason, to reach the full bunchcharge for a few years. New key hardware items are such as the low-emittance and high-charge photo cathode RF gun
for electron source, the high-charge positron production system with flux concentrator followed by a large-aperture RF
acceleration system, and the emittance preservation through the whole linac by improving component alignment andreinforcing beam based alignment. By taking the advancement of the developments into account and also considering
the budgetary situation into account, some design/strategy choices are made with some still to be decided by reflecting
the critical study result.

SuperKEKB に向けた入射器アップグレード
1.

はじめにKEKB の 40 倍 の ル ミ ノ シ テ ィ で 運 転 す るSuperKEKB へのアップグレードが始まった[1]。このアップグレードに関係する入射器に課せられたアップグレード要求は、昨年度学会発表の表 1 を参照されたい[2]。本稿では、昨年から一年間の開発進展状
況と今後 T=0 に向けた要求を実現するために決断したこと、また T>0 でのアップグレード構想についても述べる。入射器アップグレードの基本方針は、（1）光 RF 電子銃を開発して低エミッタンス・高チャージの電子ビーム源を実現する、（2）断熱マッチング（AMD）収束方式と大口径RF 加速システムを導入して、DR へ入射する高チャージの陽電子源を実現する、（3）ダンピングリングを用いて陽電子エミッタンスを低減する、（4）電子源や DR から供給される陽電子の低エミッタンス特性を悪化させずにその後のライナックでの加速するために、アラインメントの高精度化やビーム計測の高度化に基づくビームベースアラインメント等を進める（ 5 ） PF リ ン グ へ の 同 時 入 射 を 実 現 し な が らSuperKEKB に必要なアップグレードを実現していくため、パルスステアリングやパルス Qマグネットを更に導入する、等である。
ここで SuperKEKB 入射器の基本構成を図１に示した。セクターA 上流端には、光 RF 電子銃を設置するが、陽電子生成用の大チャージ運転で必要な場合を想定して、今のところ DC ガンを残してある。セクター1 の中間部に陽電子発生用のターゲットをおき、捕獲、加速された陽電子は、セクター2 下流端から取り出して DR に入射してエミッタンスを下げる。この後、バンチ圧縮をしながら再度セクター3の上流端に再入射する。HER 電子ビームへのエネルギー付与は、全セクター（ABC12345）を用いるが、陽電子は DR エネルギー1.1GeV に後続セクター（345）での加速で行われる。セクター5 の下流には、パルスマグネットで PF リングへの電子入射、エネルギー補正（ECS）を通して LER へ陽電子を輸送し、電子ビームはそのまま HER へ入射する。本稿ではこれらの各構成システムの設計方針と開発の現状を簡単に述べる。詳細は各システムの設計開発に関する本論文に掲げる参考文献を参照して頂きたい。

図１：SuperKEKB での入射器構成

2.

電子ビーム

入射器の電子ビームには 3 つの役割がある。第一は、①SuperKEKB HER への低エミッタンス、高チャージバンチの供給、第二に②SuperKEKB LERへの陽電子ビーム生成用、大チャージバンチの供給、第三に、③放射光リング（PF や AR）への電子供給である。
①に関しては、これまで KEKB で運転してきた電子ビーム（～1nC×2）の 5 倍のチャージを低エミッタンスで供給する必要があり、光カソードのDAW 型 RF ガンを用いてこれを実現することにした [3] 。本来図１のセクターA で開発を進めるべきだったが、震災後の入射器復旧状況を鑑みて、図２に示したように、まずセクター３の 3－2 ユニットに 導 入 し た 。 こ こ で は 、 266nm 、 4mJ 、 30ps のNdYAG レーザー光パルスを斜め入射して Ir5Ce カ
ソ ー ド 面 を 照 射 し 、 4MW 入 力 （ 表 面 電 界 ～ ？
図２：3-2 ユニットでの RF ガンセットアップ、及MV/m）で運転する DAW 型空洞を用いてバンチンびセクター３～５の加速・輸送例
グと加速を行い、3.4MeV で引き出す。
空洞は図 3 に示した DAW 空洞で、表面電界を抑えてバンチングを効率的に行える大電流に向いた空洞を基本に据えている[4]。できるだけ小パワーでの量子効率を上げる試みとして、266nm の短波長の選択と斜め入射を併用している。使用するカソードは、長寿命を念頭におき、熱電子も取り出せる真空的に安定な材料として Ir5Ce を選択し、量子効率 10-4 を目指している[5]。
これまでの試験で 4.8nC/バンチは引き出されており、エミッタンスを確認中である。また図２に示したように、このビームはセクター３～５を通して、図３：Ir5Ce カソードと DAW 型 RF ガン空洞4nC を加速・輸送できるところまで確認できている。
今後はこのガンを PF 入射等に用いることにより、電荷は尐ないながらも長期の運転評価を進めるとと
3. 陽電子ビーム
もに、大電流に関する経験も積む目論見である。現
在はこれと並行して本来の設置場所（A-1）でのシ 3.1 構成ステム立ち上げを行っている。更に実機使用に有効
KEKB での陽電子バンチチャージ（1nC）に比べと考えているファイバーレーザーの開発も進めてい[6]て数倍（4nC）の強度を要求されており、しかもる 。
DR（ダンピングリング）への入射エネルギーを確保するためにターゲット位置はこれまでより上流に昨年の段階では、DR への入射ロスを減らすこと、移動したため、衝突電子エネルギーは 4GeV から 及び陽電子収量の増加に対して、キャプチャー部の3.5GeV に下げざるを得なくなり、電子あたりの陽 周波数は S バンド×（5/11）、即ち L バンド周波数電子の収率は数倍に上げる必要が生じた。このため、 が 効 果 的 で あ る と 判 断 し て いた。 しかしバンチ
タ ー ゲ ッ ト 直 後 に フ ラ ッ ク スコンセントレータ チャージが 1nC 程度であれば S バンドのシステムで（FC）とそれに続く大口径 LAS 加速管部へ導き、 も可能であり、L バンド周波数の効果を最近再評価横方向のアクセプタンスを稼いで収量を向上させる 始めている。T=0 へのシステムとしては、L バンド[7]。
システムの高コストもふまえて S バンドで進めるこ陽電子ラインの構成を図４に示した。10nC の電 とに決定した。今後 2015 年には DR への入射状況
子バンチを W ターゲットに当てて陽電子を発生さ を確認できるので、その時点のスタディを通して Lせ、下流に最高磁場数 T の FC を置き、この軸上磁 バンドシステムの必要性を判断することを考えてい場から下流の 0.4T 程度のソレノイド磁場へ断熱的 る。
磁場をつなげる。このソレノイド磁場に包まれる大3.4 大口径加速管
口 径 （ φ 30 ） の S バ ン ド 加 速 管 （ LAS ： LargeLAS 加速管は、ビームホール口径をなるべく大きaperture S-band）、2m×6 本でキャプチャー部を構成する。この直後にシケインを設け、発生電子陽電 くとるべく、直径φ31.86～29.97 の CG 設計とした。
子の分離、HER 用電子ビームの合流、陽電子テール いくつかの加速管パラメータを表２に示す。外周をのコリメーション等を行う。これに続いて LAS を なるべく小さな内径のソレノイドで覆うことをもく2m×6 本追加したのち、既存の S バンド加速管 7.5 ろみ、出力カプラーセルの導波管フランジはカプユニット（2m×30 本）で DR 1.1GeV までのエネ ラーセルに埋め込む型としてある。これにより、既存のソレノイド（内径φ200）を活用できる。
ルギー付与を行うことになる。

図４：陽電子生成～DR へ
3.2

FC による AMD 収束

ターゲット直後の磁場収束系は、KEKB でのパルスコイルに変えて FC（Flux Concentrator）を採用する。これにより AMD（断熱マッチング）収束磁場プロファイルが設定でき、しかもターゲット直後で数 T 級の高い磁場が期待できるので、陽電子の収量アップが実現できる。ターゲット直後の高磁場も重要ではあるが、それにもまして下流の断熱マッチング部の形状が重要で有ることがわかってきた。現在は、SLAC により開発され、IHEP, China や Frascatiに採用されている FC をベースに展開すべく、銅材料をワイヤカット加工して機械振動計測や図５に示すような磁場測定を行っている[8]。

表１：LAS 加速管パラメータ
セル数（レギュラー＋57＋2カプラー）
有効加速長2064
ビームホール直径31.86～29.97群速度/光速
4.2 – 3.5
シャントインピーダン
48～46ス
10MW 入力時の電界6.93
SLED 使用時の電界16.42
3.5

3.3

キャプチャー部加速周波数の選択

㎜㎜％
MΩ
/m
MV/mMV/m

L バンドシステム

L バンド加速システムの、設計、製作、高電力試
験、を進めてきた。先に述べたように、T=0 では Lバンドを使用しないが、T>1 以降に必要になる場合を想定して最低限の開発は進めておくことにしている。これまでクライストロン単体試験、及び加速管にフィードして高電界試験[9]を実施した。加速管のバンドが狭いことに関連してクライストロンの動作に高周波数側に発振が見られ、この原因究明と対策を検討すべく調査開始した。加速管にはソレノイドを外周に設置するため、その大きさを抑制すべく、加速管の下流側の導波管を省き、コリニアロードとする設計を進めている[10, 11]。
3.6

図５：FC 試験コイルと磁場計測

セル

陽電子捕獲システム設計

陽電子捕獲部はターゲットから発生するシャワー起源の放射線による運転中の周辺放射線レベルの上昇のみでなく、ビームラインの放射化の問題が重要事項である。短時間で、しかもなるべく離れた距離からの作業で真空フランジ外しができるように、特殊脱着装置の検討を始めた。また特に FC～第一加速管の間にできる磁場の落ち込みが収量減尐につながるので、ソレノイドでカバーできない長さをなる

べく短くし、また外側に大きなソレノイドを設置して補償することを検討している。特に故障時の交換作業に関連して、重量シールド、ケーブル、導波管等の脱着、加速管の抜き出し方法、架台の切り離し等の方法につき検討を進めている。レール方式で重いパーツを移動することを併用することを含めて検討している。

4.

エミッタンス保存

4.1

状況あるが、これだけで最終要求値を満足することは不可能であり、これを埋めるには、次節に述べる
BBA の力を借りねばならないことは論を待たない。

図６：500m 先でのレーザースポット（4=30 ㎜）
エミッタンスを悪化させる原因として、ディスパージョン、加速管等のウェーク場、J-ARC での 4.3 BBA に必須の高分解能 BPMCSR、等々の影響を念頭にしている。まずはコン
最も重要な開発は、BPM（ビームポジション計ポーネントのアラインメントが重要であり、これに測）の分解能を 10μm 級に改良することである。
向けての開発状況を次節以降に述べた。CSR では
ストリップラインに誘起されるバイポーラｰパルス
ARC でのバンチ長に依存するが、BNS ダンピングはこれまで 8 ビットのオシロスコープでその最大値の活用の可能性や、オフセットインジェクションをを捉えてきたのみであり、分解能は 100μm 程度で行うことでウェーク場の効果をキャンセルするできあった。サンプリング点数を増やしてその rms よりること等、シミュレーションより議論されているが、計測する方法をとるだけで、60μm 程度に向上する
これらをいかに組み合わせてエミッタンス増大を抑ことがわかった。更に向上させるために、16 ビッ
制するかは今後のビームスタディを含めた開発によトの ADC を用いて、フィルター幅を狭め、４電極るところが大きい。
からの信号の電気長合わせを行って、1nC での分解4.2 アラインメント
能 10m 以下を狙って開発している。３ BPM 方式
これまでの KEKB 入射器のアラインメント思想 での計測から、試作機で既に 0.3nC ビームに対しては、8.6m の標準ユニット架台をまずレーザービー 分解能 20μm が得られており、現在改良型を準備[14]
ムを基準として直線上に並べ、各コンポーネントは 中で、秋の運転で特性を確認する予定である 。こ
これに機械的な精度を確保して設置するというもの の結果をふまえて今後の計画に反映させることにしである。しかしビームラインは、大きいところでは ている。
数㎜オーダーで曲がったりずれたりしていることが 4.4 パルス ST＆Q とタイミングシステム
何度かの計測からわかってきていたし、そもそも震入射器では SuperKEKB へのビームに加えて PF 等災によりアラインメントは無に帰してしまっている。
へ異なるエネルギーのビームを常にパルス毎に振りこれに対して、10μm 級のエミッタンスを保存す分けて供給する必要がある。また、SuperKEKB のるためには、数十～100m 程度の間では 0.1 ㎜、全陽電子ラインと低エミッタンス電子ビームラインを長にわたっては 0.3 ㎜の許容誤差（σ）となること分けて通過させたり、その後のラインでは電子と陽[12]がシミュレーションより得られている 。これだけ電子で異なるエネルギーのビームをエミッタンス増で要求精度を機械的、光学的な測量から直接的に実大なく加速していく必要があり、かなりの数のステ現することは現実的に不可能であるが、まず初期アアリングや Q 磁石をパルス毎に制御する必要がある。
ラインメントとして我々は以下の方法で始めることこれを実現するためには、これまでも進めてきていとした。
るパルス毎にハードウェアを切り替えるタイミング
１． レーザー光基準にユニット架台を設置するシステムの拡充が必要である。
２． 架台上のコンポーネントはレーザートラッカー等で架台上の基準に対して機械的に設 4.5 診断ステーション
置する
エミッタンス増大の抑制は重要であり、入射器の３． ユニット架台を適当な頻度で計測し、必要 最下流に X バンドディフレクターを用いた診断ライなら架台位置を修正するンを構築する予定である。これにより、ビームの縦レーザーPD の位置計測精度[13]は、これまでのビー 方向にスライスしたエミッタンス等の情報を得るこ
ムからの放射線劣化により 5％以上劣化した PD を とができる[12]。10MW クライストロンは既に製作し、除いて構成しているので、現在は±0.3 ㎜程度と ディフレクターも SLAC で組立の最終段階である。
考えている。また架台上に設置される機器の機械設置精度は、架台上の基準に対して±0.1 ㎜程度 5. スケジュールと判断している。これを組み合わせると、コンポーネントの初期アラインメントは±0.5 ㎜より 5.1 スケジュールは良いという精度と考える。現在最長直線距離SuperKEKB リングへの入射（T=0）は 2014 年で500m を通すことができ計測が可能になるはずであり、これに沿って入射器アップグレードを進める

が、その概略を図７に示した。現在は、2013 年秋からの電子ビーム、及び 2013 年暮れからの陽電子入射に向けての開発を急ピッチですすめている。これに間に合わない方式や予算上の制約が厳しく、高チャージへの必要性があるが、現時点で 1nC バンチに対しては不要と判断できるものは後回しにしている。

現時点では、3－2 で経験済みの Ir5Ce カソードの DAW 型 RF ガンで電子を生成すること、FC と大口径 S バンド加速管で陽電子を捕獲すること、2013年末までに全入射器の架台設置と精密アラインメントを終わり、高分解能の BPM を用いた BBA を通じてアラインメントの改善を進めていくことになる。

図７：入射器増強の概略スケジュール

参考文献[1] K. Akai and H. Koiso, “SuperKEKB 設計の進展と建設状況”, MOPL02、第 8 回加速器学会、つくば、2011
年8月[2] T. Higo et al., “LINAC UPGRADE FOR SUPERKEKB”,
MOLH02、第 8 回加速器学会、つくば、2011 年 8 月[3] M. Yoshida, “High charge and low emittance electron
beam using new RF-Gun for SuperKEKB,” WEUH07, 本学会発表[4] T. Natsui, “Development of High-Charge, Low-Emittance,
RF Gun for SuperKEKB,” THPS026, 本学会発表[5] D. Satoh, “R&D activity of high quantum efficiency andlong lifetime photocathode materials (IrCe) forSuperKEKB electron photoinjector,” THPS064, 本学会
発表[6] X. Zhou, “Fiber laser development of DAW RF gun for
SuperKEKB (2),” FRLR13, 本学会発表[7] T. Kamitani et al., “Present status of positron sourceupgrade for SuperKEKB,” THPS069, 本学会発表[8] L. Zang et al., “Prototyping of the Flux Concentrator for
SuperKEKB Positron Capture,” THPS065, 本学会発表.
[9] S. Matsumoto et al., “High Power Test of L-Band
Accelerator Structure of SuperKEKB Injector Linac”,
THPS103, 本学会発表[10] F. Miyahara et al., “Design of Accelerating Structure
terminated with Kanthal-coated Collinear Load,” THLR04,
本学会発表[11] Y. Arakida et al., “Characteristics of Kanthal-Sprayedlayer used for Collinear Load,” THPS094, 本学会発表[12] M. Yoshida et al, “SuperKEKB Injector Upgrade for HighCharge and Low Emittance Electron Beam”, TUPPD035,
PAC2012, New Orleans, USA, 2012.
[13] T. Suwada, “Development of a Laser-based Alignment
System Utilizing Fresnel Zone Plates at the KEKB
Injector Linac”, WEPPD065, PAC2012, New Orleans,
USA, 2012.
[14] M. Satoh et al., “ Development of Beam-Position
Monitor for the SuperKEKB Positron Beam Line at the
KEKB Injector Linac”, WEPS069, 本学会発表