Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

LONGITUDINAL TUNING SCHEMES FOR J-PARC DTL AND SDTL
Masanori Ikegami1,A), Yasuhiro KondoB), Akira UenoB)
A)
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki 305-0801
B)
Japan Atomic Energy Research Institute
2-4 Shirakata-shirane, Tokai, Naka, Ibaraki 319-1195
Abstract
In the beam commissioning of J-PARC linac, it is essential to precisely tune RF phase and amplitude of RF cavitiesbased on beam-phase or beam-energy measurements. In this paper, planned tuning schemes for DTL and SDTL arepresented together with the beam diagnostics layout to realize the tuning.

J-PARC DTL/SDTL空洞の縦チューニングの方法
１．はじめに空洞間のチューニングについては触れない。

J-PARCリニアックは、50keVの負水素イオン源、
２．チューニング方法
3MeV の RFQ 型 リ ニ ア ッ ク 、 50MeV の DTL 型 リ ニ
アック、190MeVのSDTL型リニアック、400MeVのRF空洞の位相と振幅のチューニングにおいては、ACS型リニアックから構成される[1,2]。RFQ, DTL,位相走査法（phase scan method）が広く用いられる
SDTLの運転周波数は324MHz、ACSの運転周波数は[3]。位相走査法の中にも様々なバリエーションがあ972MHzである。大強度陽子リニアックにおいては、 るが、J-PARCリニアックのチューニングには、次の３つの方法を用いることを計画している。
ビームロスやビームの質の劣化を抑えるために、空
方法１：空洞出口のビームの位相を測定しながら洞のRF位相と振幅を精密にチューニングすることが不可欠である。J-PARCのリニアックについては、 空洞の位相と振幅を走査し、その測定値をもとに、最適な空洞の位相と振幅を決定する。ビームの位相下流のRCS（Rapid Cycling Synchrotron）へ効率よく測定には、FCT（Fast Current Transformer）を用い、入射を行うため、入射点における運動量広がりに関空洞の位相を走査した際のビーム位相の相対的な変する要求が厳しく（中心運動量の時間的な揺らぎも化を用いて、チューニングを行う。
含め±0.1％以内）、その要求を満たすために、と
方法２：空洞出口のビームのエネルギーを測定しくに精密なRFチューニングが要求される。そのたながら空洞の位相と振幅を走査し、その測定値をもめ、RFチューニングの目標は位相について±1度以とに、最適な空洞の位相と振幅を決定する。空洞下内、振幅について±1％以内と設定された。この目流に設置された２台のFCTを用いて、TOF（Time Of標を達成するために、各加速空洞のRF位相と振幅Flight） 測 定 を 行 う こ と に よ り 、 ビ ー ムのエネルについて、ビームコミッショニング時に、ビーム計測に基づいて最終的なチューニングを行う。
ギーを測定する。位相を走査した際のビームエネル
本稿では、J-PARCのDTL型空洞およびSDTL型空ギーの相対的な変化を用いて、チューニングを行う。
洞について、計画されているチューニング方法と、方法３：基本的に方法２と同じだが、測定したそれを実現するためのビーム測定系のレイアウトにビームエネルギーの絶対値を用いてチューニングをついて述べる。J-PARCリニアックは、３台のDTL行う。
型空洞と、32台のSDTL型空洞を有する。各DTL空
J-PARCリニアックでは、方法２，方法３に用いる2台のFCTは、下流の空洞を挟んで設置する必要
洞は、それぞれ1台の3MWクライストロンで駆動さがあり、挟まれた空洞がTOF測定に与える影響を抑れ、SDTL型空洞は、隣り合う2台の空洞が1台のえるために、その空洞をデチューンする必要がある。
3MWクライストロンで駆動される。ビーム計測にこのことを考慮すると、上記の３つの方法のうち、基づいてチューニングを行うのはクライストロンの方法１が最も好ましく、方法３が最も好ましくない位相と振幅である。1台のクライストロンで駆動さことは明らかであるが、どの方法を適用することがれる2台のSDTL型空洞間の相対的な位相と振幅は、できるかは、空洞の特性に強く依存することが知ら
ビームコミッショニングに先立ち、RF計測などをれている。そのため、採用するチューニング方法をもとに、あらかじめチューニングしておく必要があ決定するにあたり、各空洞に対する各方法の適用可る。本稿では、ビーム計測に基づく最終チューニン能性を、PARMILA[4]を用いたシミュレーションをグについてのみ述べることとし、この2台のSDTL型
1E-mail: masanori.ikegami@kek.jp417

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0.95

36.90

0.96

Output energy (MeV)

Output phase (deg)-20-25-30-35

1.04

0.96

36.85
36.80
36.75
36.70
36.65

1.05-40

36.60-10-50

Tank phase shift (deg)510-10-50

Tank phase shift (deg)510

図３．DTL2の位相走査曲線（方法２）

図１．DTL1の位相走査曲線（方法１）

50.20

19.80
19.75

Output energy (MeV)

Output energy (MeV)

1.05 1.04

0.95

19.70
19.65

0.96
0.95

19.60

1.04
19.55

1.05

50.15

1.0550.10

1.0450.05
50.00

0.9649.95

0.9549.90

19.50-10-50

Tank phase shift (deg)5-1010-50

Tank phase shift (deg)510

図４．DTL3の位相走査曲線（方法２）

図２．DTL1の位相走査曲線（方法２）

DTL1は、方法２を用いてチューニングすることも 可 能 で あ る。図２は、方法２を用いてDTL1のチューニングを行った場合の位相走査曲線
３．DTL型空洞のチューニング（PARMILAによるシミュレーション）を示したものである。図３より、ほぼデザイン値のRF振幅の3.1 DTL1のチューニング
とき、広い範囲に渡って曲線がフラットになること
DTL1（最上流のDTL型空洞）については、方法がわかる。この特徴を用いてRF振幅の校正を行え１を用いてチューニングを行う予定である。図１に、 ば、異なるRF振幅の２つの位相走査曲線の交点をPARMILAで得られたDTL1の位相走査曲線を示す。
用いて、RF位相の校正も行える。DTL1を方法２で
図２では、方法１を用い、11の異なるRF振幅で位チューニングする場合には、10keV程度の分解能で相走査を行ったときに得られる曲線が示されている。 ビームエネルギーを測定する必要がある。
図中で、0.95と示された曲線は、RF振幅がデザイン3.2 DTL2とDTL3値の0.95倍のときに得られる位相走査曲線である。
図２から、RF振幅がデザイン値の0.955倍程度の時、 DTL2とDTL3のチューニングには、方法２を用い図の右側で曲線がフラットになり（位相の変化に鈍る予定である。図３と図４はそれぞれ方法２を用い感になり）、1.045倍付近で図の左側でフラットにてDTL2とDTL3のチューニングを行った場合の位相なることがわかる。これらの特徴的な曲線を用いて、 走査曲線（PARMILAによるシミュレーション）をまずRF振幅の校正を行う。RF振幅の校正ができれ示したものである。図３から、DTL2では、RF振幅ば、異なるRF振幅の２つの位相走査曲線の交点をがデザイン値の1.005倍程度になったときに、広い用いて、RF位相の校正ができる。この位相の校正
位相範囲に渡って位相走査曲線がフラットになるこを行う際には、その精度を上げるため、大きな交差とがわかる。また、図４から、DTL3の位相走査曲角をもつ２つの位相走査曲線を選ぶ必要がある。上線は、RF振幅がデザイン値の0.97倍程度になったと記の方法でRF位相および振幅のチューニングを行きに広い位相範囲に渡ってフラットになることがわうためには、１度以内の測定分解能でビーム位相をか る 。 こ れ ら の 特 徴 を 利 用 し て RF振 幅 の 校 正 を測定する必要がある。
行ったのち、DTL1のときと同様にしてRF位相の校行うことにより調べた。

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1.11.0Output energy (MeV)

56540.95250484644-150-100-50050100

Tank phase shift (deg)150

図５．SDTL1-2の位相走査曲線（方法３）1.1185

Output energy (MeV)

1.01800.9175170

図７．DTL部、SDTL部のFCTのレイアウト
165

めには、±0.1％以内の精度でビームエネルギーの絶対測定を行う必要がある。

160-150-100-50050

Tank phase shift (deg)100150

図６．SDTL29-30の位相走査曲線（方法３）５．FCTのレイアウト

上で述べたRFチューニングを実現するために、DTL部およびSDTL部に33台のFCTを設置することを計画している。このFCTのレイアウトを図７に示す。図７中には、TOF測定に用いるFCTのペアを赤色の矢印で表してある。SDTL部では、必要なエネ
ルギー測定精度を得るため、３台のSDTL型空洞を４．SDTL型空洞のチューニング挟んでTOF測定を行う。測定の間、TOF測定への影
響 を 抑 え る た め 、 こ の ３ 台 の SDTL 型 空 洞 は デ
前節で示したように、方法１または方法２によるチューニングを行うためには、その位相走査曲線が、 チューンする必要がある。必要なTOF測定の精度を確保するため、FCT間の距離は、レーザートラッ動作点の近傍で、フラットな部分や大きな交差角をカーを用いて0.2mm以内の精度で測定する予定であもった交点をもつことが必要である。しかし、図５
る。
および図６に示すように、SDTL型空洞の位相走査正を行うことにより、DTL2とDTL3のチューニングを行うことができる。DTL2とDTL3をこの方法でチューニングする場合には、10〜20keV程度の分解能でビームエネルギーを測定する必要がある。

曲線はその形状がサイン曲線に近く、フラットな部
参考文献
分や大きな交差角をもった交点は存在しない。そのた め 、 我 々 は 、 方 法 ３ を 用 い て SDTL 型 空 洞 の[1] Y. Yamazaki, “The JAERI-KEK Joint Project for the
チューニングを行うこととした。図５および図６は、High-Intensity Proton Accelerator, J-PARC”, inProcs. of PAC2003, p. 576 (2003).
それぞれSDTL1-2（最上流のSDTLモジュール）と[2] Y. Yamazaki ed., “Accelerator Technical Design
SDTL29-30 （ 181MeV 運 転 時 の 最 下 流 の SDTL モReport”, KEK Report 2002-13; JAERI Tech 2003ジュール）について、PARMILAを用いて得られた044.
位相走査曲線である。方法３では、より広い位相範[3] For example, D. Jeon et.al., “Longitudinal Tune-up
囲（360度）で位相走査を行い、エネルギーゲイン
of SNS Normal Conducting Linac”, in Procs. ofの最大値と最小値を測定することでRF振幅の校正
LINAC2002, p. 370 (2002).
を行う。RF振幅のチューニングを行ったのち、エ[4] H. Takeda, “PARMILA”, Los Alamos National
ネルギーゲインを設計値に合わせることでRF位相
Laboratory Report LA-UR-98-4487 (1998).のチューニングを行う。このチューニングを行うた

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