Proceedings of the 22nd Linear Accelerator Meeting in Japan

pa-27
AT M U L T I-B U N C H B E A M E N E R G Y C O M P E N S A T IO N

S.
lrT.Naito, !K . Oide,•Takeda,Kashiwagi / H . H a y a n o ，lT. Korhonen, lK . K u b o ,Urakawa, 2S •Nakamura,
Tamura and 4S •Morita

The Graduate University for Advanced Studies
1-1 Oho, Tsukuba-shi, Ibaraki, 305, Japan]High Energy Accelerator Research Organization
1-1 Oho, Tsukuba-shi, Ibaraki,305, Japan
2Depertment of Physics, Faculty of Education, Yokohama National University
156Tokiwadai, Hodogaya-ku, Yokohama-shi, Kanagawa, Japan
University of Tokyo
7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tokyo, Japan^E-CUBE Co., Ltd5988-8 Hino, Hino-shi, Tokyo, 191, Japan
Abstract

By using the SLED cavity, the RF high power test for AT energy compensation was performedat Accelerator Test
Facility (ATF) in KEK. To compensate multi-bunch beamenergy for various beamcurrents, the input waveforminto
acceleratingstructure is changed by controlling the phase andcombining the rf-power from two klystrons with a 3dB
hybrid combiner. In this test, anarbitrary waveformwas generatedby changing therotating speedof theeach klystoronphase into the opposite direction.
A T マルチバンチビームエネルギー差補正

1 . はじめに

2. ATマ ル チ バ ン チ ビ ー ム エ ネ ル ギ ー 差 補 正 方 法

現在計画されているリニアコライダーでは、ルミノシ

このエネルギー補正方法は、 ビームロ ー デ イングによ つティ一を高くするために衝突点での非常に小さいビームサイズと大電流のマルチバンチビームによる運転が'必要て生じたバンチトレイン内のエネルギー差を、RFパワ一が完全に加速管に充填される前にビームを入射し、かつ不可欠である。 しかし、大電流のマルチバンチビームを加速管に供給する RFの振幅を変化させることによって、線 形 加 速 器 （リニアック）で加速すると、 ビームローディングによりバンチトレイン内の後方バンチは前方バンチ

図 1のV⑴スロ一 プの傾きを調整し補正するものである。

よりも大きな減速力を受け、一つのバンチトレイン内でエネルギー差が生じてしまう。そ して、 リニアックのあまたAT方式では大電流のマルチバンチビームの場合 、V(t)スロープの傾きを大きくし補正効果をあげるために、フイリング夕イムの短い（1>300〜500ns) 加速管が有る距離をビームが進むときビーム内にエネルギー差があ効である。

り粒子によってphaseadvanceが 異 な る （収束力が異なる)と、横方向の運動についての phase space上で異なる回転をするためエミッ夕ンスが増大し、 ビーム輸送効率を下Injection

げるなどの問題を引き起こす。 このマルチバンチ加速におけるバンチ間のエネルギー補正はリニアコライダーにとっては本質的に重要な課題であり、その補正法はリニアック加速方式の設計を左右するものである。
リニアコライダーの前段リニアック（Pre-linac) など

Compensation
Early injection + Amplitude modulation
to compensate Vb for different currentsの 低 周 波 数 （おもに S-band) リニアックにおいてはマルチバンチエネルギー差補正方法として次の様な方式が考えられている。 1つは、基 本 加 速 周 波 数 （f。
） と僅かに異なる周波数（f。土Af)の加速 管を リ ニ ア ッ ク に 設 置 し 、マルチバンチビームを加速することによってエネルギー差補正’をする土 AF方 式 [1]。 この士AF方式では加速と補正がリニアック中で別々に行われる。 またその他に、加速と補正を同時に行ラエネルギー差補正方式として RF位相調整方式（ATT^式 ）が あ る 。 このATエネルギー補正方法は、すべての加速管の出口でエネルギー差を最小にすることができるため、 ビーム光学的に優れたマルチバンチビームエネルギー差補正方法である。

図l

ビーム入射タイミングとエネルギー利得

SLEDを使用する RF ユニ ット におい て、加速管に供給するRFノヽ°ルスの波形を変化させるためには、位相反転後のクライストロンの出力波形を変化させる必要がある。
しかし、直接クライストロンに入力する RFパワーの振幅を変化させると、 クライストロンでの RFパ ワ ー の 入 力 •
出力特性が非線形であることやクライストロンにかける電圧の僅かな変化で RFパワーゲインが変化してしまう事
な ど か ら 、安定に R F を出力することが困難になってしまう。 そ の た め 、 ク ラ イ ス ト ロ ン は 最 大 効 率 の 状 態(saturation m o d e ) で運転しなくてはいけない。 そこで、2 台の saturation modeで 運 転 し て い る ク ラ イ ス ト ロ ン からの出力を3 dB結合器を用いて合成し、RF位相をそれぞれのクライストロンで反対方向に 180 度変化させること，
により、SLEDへの RFパ ワ ー の 振 幅 を 変 化 さ せ る （図2)[2 ]o

図2化させることにより、RF振幅もゆるやかな変化をするため、急激に変えることによる加速管への急激な RFの突入を防ぐことができ、 この位相調整方式では Dark Currentを減少させることができると思われる。 そして、 この補正方法をリニアコライダーの Pre-linacなどの S-band リニアック部で採用した場合、85バンチ、バンチ間隔 1 .4 n s 、1バ ン チ 当りの電子数 7 .2 X 109 個のマルチ バ ン チの エ ネ
ルギー差を、各 加 速 管 （Tf= 830 n s ) の出 口で お よそ0.10 % に 圧 縮 する こ と が で き る （図3 ) 。

3 . 位 相 調 整 方 式 ハ イ パ ワ ー R F 試験
ハイパワーR F 試験セットアップ
今回の R F 試 験 は 、ATFリ ニ ア ック の 8 つの RF レギュ
ラーユ ニ ッ トのうちの、2 つのR F ユ ニ ッ トのクライストロン出力パワーを合成して行った（
図4) 0 合成後の RFパワーはSLEDでパルス圧縮をした後 2 本 の 加 速 管 （L1、L 2 ) に供給された。そして、加速管入口の -70 dB方向性結合器を用いて RF波形を測定した。

位 相 を 変 化 さ せ る こ と に よ る RF 振 幅 調 整

20、U3SL
EDlevm}】-20fi
Eied2eld;
9Jnp!
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3jhluleoX
SJ3U

05G

-40

図4 の ロ ー レ ベ ル 回路のうち 、phase shifter (N o .l) は 2台のクライストロンの位相関係の調整および本 RFテスト-60010002Q 00

3000

40005000

6000

Time [ns]図 3エ ネ ル ギ ー ゲ イ ン とSL E D 出 力 波形

[ 2 本 の ク ラ イ ス ト ロ ン 出力各30MW (Tf_acc= 830 n s ) ]後に行うビーム実験でビームの加速位相を調整するために用いる 。 Delay & Pulse Modulator を用いて、 CWの RFから任意のパルス幅の R F を作り出し、 クライストロン電源のメイントリガーに対するタイミングを調整できるようにした。 通常、 ATFで はパルス 幅が 4 .5 哗 、位相反転 （0 - t t ) をパルスの始まりから 3.5 jiis のタイミングにSLEDを用レゝた位相調整式による任意波形の生成では、し運転している。 実際には、 クライストロンにかかる負SLEDでパ ル ス 圧縮した後の波形は図3 のような三角波に

担 を 軽 減 す る た め に 、 電源パ ルスの フラ ット トッ プ はなる。 ビームを加速管の定常状態で加速する場合には、4.5 jis以下であ るため 、 クライストロンの出力波形は完

RFパ ル ス の フラットな部分があると大変都合が良いが、全な方形波ではなく立ち上がり、立ち下がりがなまってしまっている。今回の測定では、 クライストロンの出力

現在のリ ニ ア コ ラ イ ダ ー の デ ザイ ン ではビーム パ ル ス 幅はおおよそ100 n s 程度と考えられているため、S-nand加波形の立ち下がりの部分ができる限りなまらないように、速管では マ ル チ バ ン チ ビームは過渡状態で加速される。

通常よりもクライストロンへの入力 RFのタイミングを早そのため、加 速 管 に供 給す る R F 波形で特にフラットなめた。そして 、phase shifter ( No.2 ) に位相コントロール部分は必要ないと思われる。 また、 位相をゆっくりと変用のパルスを入力することにより、 クライストロン入力

RFの位相をコントロールした。 また、今回はコントロー
ル用パルスは 2 つの Pulse Generator (HP8112A ) の出力を合成し、片方のPulse Generatorのノ、。
ルス立ち上がりエツジ （L f f i ) を調 整 す るこ と に より 作り 出 した （図4 ) 。
測定および測定結果
今回の測定では導波管組み替え後、導波管及びダミーロー ドの十分なRF プロセツシングが行えなかったので、相を制御することができないので、 今後高速応答性をもつPhase Shifter の開発が必要である。
また位相反転の際、合成された RFパワーがダミーロード側に全て入力される時間帯がある。時間としては数 10〜数 100ns と短い時間であるが、合成部での反射によりクライストロン側に RFが戻っていないかなどを方向性結合器などを増設し調べる必要があると思われる。

R F 合 成 試 験 で は 各 ク ラ イ ス ト ロ ン 出 口 で R F 出力は約P h a se ShifterControl P u lse

2 0 M W であった。測定では、 同じ大きさの R F パワーを合成 す る た め に 、 ま ず 1 台ず つクラ イスト ロンを 運転し
SLED 入口 で同一 ケーブ ルを 用いて RF パワ一を測定し調整した。次 に合 成 す る 2 つのRFの位相調整およびタイミン グ の 調 整 を 行 っ た 。 そ し て 、 Phase Shifter (N o . 2 ) の、P h a se Signal

M 設定を数段階変え、加速管入力の RF波形を観測した( 図5 ) 。
TttK Running. SO.OMS/sSample
{ T—

図6

Phase Shifter コントロールパルスと RF 位相変化

4 . まとめおよび今後の予定
今回の測定から、位相調整をするためのローレベル系の回路の改良が必要と思われる。 また、実際にオペレーシヨンなどがしやすいよう RFパ ワ ー の モ ニ タ ー など.を、どこに設置すベきかなども考える必要がある。
今後この RF波形によりマルチバンチビームでのエネルギー差補正実験を ATFリニアックの上流部にて行う予定である。
謝辞
今回の実験を行うにあたり、終始助言とご協力を頂いた高エネルギー加速器研究機構の— グループの方々に深く感謝いたします。 また、 （有） イーキューブの松井氏 、和知氏、宮 本氏 には、導波管の組み替え作業などに協力していただき、本実験が実現できました。 ここに、，深く感謝致します。
参考文献

L1 ] S.Kashi\^gi etal., 'MiminaryTestof-h-AFBieigy Compensation
务stem”. Ptoc 19%iit LinacConf, (LJNAC96)
図 5 加 速 管 入 口 で の R F 波形
( 上 ：LEE = 5.5 ns 下 ：LEE = 500 ns)
測 定 に使用 した Phase Shifterの速度応答性を調べたところ、図 6 に 示 し た よ う に 位 相 コ ン ト ロ ー ル パ ル ス に 対してRF位相の変化が十分に追従していない。 これでは、
任 意 の コ ン ト ロ ー ル パ ル ス を 作り出せたとしても、RF位[ 2 ] T. Siintake et al., "C-bandRFMain linac ^stem for e+o-LinearCblli(trat500GeVtD 1TeVCM Biogy' Ptoc ofHPAC96, pp. 2146-2148.