Proceedings o f the 22nd Linear Accel^rmbor Mieetmg in JapanSYSTEM DESIGN OF RIKEN RIBF MUSES ^30MeV ELECTRON LINAC
Y.Kamino*^ NJnahe, M.Wakasugi, TMatayama*2
RIKEN Accelerator Research Facility (RARF) Wako Saitama 351-01,JapanABSTRACT
The Mum Use Experimental Storage rings (MUSES) is planned as one of the main research assefe in addition to the super
conducting ring cyclotmns(SRC~4 and SRC-6) and Rl beam generatorfBigRips) for RIKEN Rl beam factory (RIBF). Muses iscomposed of Double Storage Ring(DSR),Accumulator Cooler Rirtg(ACR) and Booster Synchrotron(BSR) for various collisionexperiments of Rl partide，ions，eledron and SOR photon. The MUSES 300MeV electron LINAC provides electron beam to BSR andDSR. This electron LINAC features a compact high energy LINAC with a high quality beam of low energy spread and small envttance.
In this paper the system design ofthe UNAC is presented and the innovative approach to suppress the energy spread is discussed.

理 研 R 丨ビームフアクトリ M U S E S 用 300WteV 電 子 リ ニ ア ツ ク の シ ス テ ム 設 計
1 . はじめに理研 R 丨ビ一ムファクトリでは、 R 丨ビーム発生のための超伝導リングサイク卜ロン（SR04，S R 0 6 ) 及び R I ビーム発生装置 (Big R ip s ) とともに主要な実験設儀として2重蓄積リング系 (M USES) が計画されている。 これは、 2重蓄積リング(DSR)を中心として、蓄積 ■冷却リング(ACR)、ブースタシンクロ卜ロン(BSR)を備えて、R[ 粒子、イオン、電子及び放射光の正面、寄リ合い衝突等の種々の衝突実験を可能とするものである。本電子リニアックは、MUSES加速器システムの一部としてBSR 及 び DSR に 300MeVの電子ビームを供給するものであy 、以下の性能を達成しつつ極力コンパク卜な構成とすることが求められている。また、機器配置上、電子ビームラインが鋭敏な測定機器と同一フロアに配置される計画のため、 ビームラインから放射される電磁ノイズを最小化する必要がある。
2856MHz加麵波数SOOMeV以上
加速エネルギ5 0 H z (最大）パルス繰返周波数
LONG PULSE MODE ビ ー ム パルス幅 5 ix sec
ピ ー ク 電 流 100mA
ルス幅 1nsec
SHORT PULSE MODE ：ビーム/ 《ピーク電?流 1 A: ± 0 . 2 5% ( 目標値）
エネル德
規格化エミツタンス：1007rmm mrad 以下出力の東芝製クライス卜ロンE-3712 (80MW球）の使用を想定する。5#secのビームパルス幅に対して、加速管のフィ リングタイムを考慮して加速R F パルス幅としては6 as e c 程度が必要となる。更にクライス卜ロンモジュレータで比パルスの立上がり及び立下がり部分が使用できないため、ビームパルス幅としては8.2バsec (パルス波高70% )が必要となる。 これらの条件でクライス卜ロンメーカと調整した結果、安定動作のための余裕を見て定格運転は5 0 MW とする。各クライス卜ロン当たり駆動する加速管数については、所要の加速エネルギを得るのに線なビームライン長とモジュレータ数についてケーススタディを行って、 レ ギュラ部では 1 クライス卜ロン当たり2 本の加速管を驅動する設計とした。 このため、 ビームローディングとしてめとなっているが、これはエネルギ幅特性改善の点からも好ましい。本電子リニアック全体の構成をFig.1に示す。 レギュラ部は、 3本のクライス卜ロンと6 本の 3 m C G 型進行波加速管で構成する。維持整儀の点から丨丈クライス卜ロンの機種の統一が望ましく、インジェクタ部用にもE-3712を使用する。バン
チャ管で必要とする加速R F は 15MWで、これに対してE3712は余剰の出力があるため、25MWでレギュラ加速管を1 本駆動して、加速エネルギに余裕を持つこととする。両モ一ドについてエネルギゲインを計算した結果をFig.2に示す。
LONG PULSE 及び SHORT PULSE の両モ一 ド'で、10%以上のエネルギゲイン余裕があり、余裕を持って300MeVの電子ビームが供給できる。
KLYSTRON KLYSTRON
No-1 ^2 . システム構成

KLYS
No.4

KLYNo』( 50MWJ

ビ一ムラインを短くするためには高し、加速電界によy 加速
管 1 本当た y の加速ゲインを稼ぐ必要がある。パルス幅が1jusec 以下の短パルスのみであれば、SLED 等によ y 高いピーク加速電界を得る事も可能であるが 、 LONG PULSE
MODE で は 5 # s e c のビームパルス幅が要求されておリSLEDの適用はできない。 このため、現時点で最高のピーク*1:Mitsubishi Heavy Ind. Nagoya Aerospace Systems*2: Center for Nuclear Study, Graduate School of Science
University of Tokyo

15MW

25MW 22MW

22MW

22MW

22MW

22MW

22MW

ULA REGULAI REGULAnREGULAilREGULAl|REGULAF| e-GU4 PB* PB2 bunchei| rb^ lai REGA2A1B1
B2C1
C2
LONG
PULSE 100KeV
MODE

13MeV 60.5MeV

149MeV

241MeV

335MeVSHORTPULSE 100KeV
MODE

13MeV

160MeV

260MeV

364MeVt-ig.264MeV

Eneray Gam Diaaram權g 験^B■ D S 噸 B 圔鼸B I B HEJEB S B O l BE9BB B ! 9 B P i B S B E ^ W S i SB1 ；BEE!B B IB B S M E E E iB B IB

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A"'j m w L m^ c r m^ 'r e g u l a rs e c t io n dFig.l System Block Diagram
3 . インジェクタ部

ENERGYSPEEADIRENTa UNIT)

インジェクタ部は、定在波型プリバンチャ(PB1)、進行波型プリ/ 《ンチャ(PB2)及び点= 1 の進行波型C G 管から構成されるS L A C 型とする。 この方式は、P B 2 での加速効果があるため電子銃電圧を低くすることができる。電子銃の出力電流としては、SHORT PULSE MODEでインジェクタ部の透過率を80% として 1.3Aが必要である。 ビー■ムラインから放射される電磁ノイズを抑えるために比電子銃をII ；流ドライブとする必要があるが、 このビーム電流を良好なオプテ
ィクスで引き出すことができ、直流ドライブでも絶縁の点で問題の無い点から加速電圧は100KV とした。力ソード/グ
リツドアセンブリは、良好なオブティクスを確保するためできるだけ小面積のものが望ましぐ実用上 1.6A の温度制限
放出電流が得られる日MAC Y-845(力ソード面積0.5cm2)とする。電子銃電極形状は、 1.3A の放出電流に対して最適となるように設計し、電流値の小さい LONG PULSE MODE
ではアイリスでビーム径を絞ることによリ電流を制限する。
F ig.3 に E-GUNの_卜レースの結果を示す。

( D E G ) -獅 ■Fig.4 LONG PULSE MODE
BUNCH
SHAPE

mm

ENERGYSPEEAD\B.UMT)|i1020(DEG)

mm Mia ■-5CKJ-2昶

250

Fig.5 SHORT PULSE MODE

4 . レギユラ部

Fig.3 E-GUNの 軌 道 卜 ス の 結 果
Fig.4 及 び Fig.5 にそれぞれ LONG PULSE MODE 及びSHORT PULSE MODEで の PARMELAシミュ レ一シヨン
結果を不す。

50C(KeV)

レギュラ部は、 A 、 B 、 C の 3 ユニットから構成される。
各ユニットともに3 m の C G 型進行波加速管を使用し、それぞれのユニットでは同じ_ 定数の加速管とする。長尺の電子リニアックで問題となるCumulative BBUは、加速管内のHEMuモードが ビームを径方向にキックしビームの軸からのずれ量が加速管毎に増幅されてついにはビームホールで切られて/ 《ルス幅が短縮する現象であるが、 C G 管め場合には力n速管内の上流部で発生したHEMnモードが下流部で力ッ卜オフとなる現象があy 、相互作用領域は加速管の入y ロから 約 1 0 キャビティ程度の部分に限られる。同様の原理で、あるユニッ 卜で加速管の相互作用領域のHEMnモードの周波数が下流のユニツ卜の加速管の相互作用領域でカツ 卜オフとなるよう、下流のユニッ卜に進むに従って減衰定数を高くとり、ホ一ノW圣(2 a 寸法)を絞ってHEM^ の周波数が上昇するように設計する。現設計では、A，B，C の各ユニットの加速管の減衰定数はそれぞれ0.5Neper, 0.6Neper,0.7Neperとしているが、BBUが問題となるLONG PULSE MODEの電流値 は 100mAと少なく現設計が過剰対策の可能性もあり、今後、BBUの成長率を詳細に評価して見直していく。
5 . ビー碰送系
インジェクタ部のビー上满|送はソレノイドコイルによる。
また、バンチャ管出口以降はQT(Quadrapole Triplet)による強収束系で行う。TRAN SPO RTを用いた設計結果の例(LONG PULSE MODE)を Rg.6 に示す。
6 . ェネルギ幅に関する検討ェネルギ幅の原因は以下の通y と考えられる。
(1)クライス卜ロン出力のパルス内変動による加速電界変動⑶クライス卜ロン電圧のパルス内変動による加速位相変動⑦)電子バンチ幅分布
ンチの加速R F 位相ずれ(4)PHASING誤差による鼋子/ 《(5) Reactive Phase Distortion による加速 RF 位相ずれ

これを補正する方法としては、ECS(Energy Compression
System)を使用する方法もあるが、磁石系及びエネルギ幅圧縮用の加速管を含めて10m程度の長さとなるため、 ビームラインをコンパク卜に纏めることができない。 これに対して
R F 入力後加速管のフイリングタイムが経過する前に加速管内に電子ビームを入力して卜ランジェン卜を抑圧する方法や更丨こ推し進めて各クライス卜ロンのR F 卜リガタイミングを電子ビームの卜リガタイミング丨こ対して調節して、 卜ランジェン卜抑圧を図る方法も考えられるが、十分な卜ランジェン卜抑圧効果が得られなかったのが現状である。
S LA C の NLCTAで、クライス卜ロンR F の立ち上がり部に振幅変調を与えて良好な卜ランジェン卜抑圧効果が得られることが確I忍された。1)2)NLCTAで は SLEDHで供給R F を位相変調してSLED I の出力立ち上がり部分に直線的な振幅変調を与えている。 これはNLCTAに採用されたD D S加速管に対応したものであり、通常のC G 管に適用するためにI丈電子ビーム入力前に定常状態と同じ電界分布を加速管内に作るように振幅変調のパタンを変更する必要がある。下図には数値的に求めた振幅変調のパタンと、これによる卜ランジェ
ン卜抑圧効果のシミュレーシヨン結果を示す。

(6)イニシャルビームローディング
上記のうち、（1)(2)についてはクライス卜ロンモジュレータ
電圧の安定度を0.3%(p-p)以内とし、（3)については3 _ のPARMELAシミュレーシヨン結果からFWHMで 4 ° 以下で十分な性能が得られる見通しである。⑷についてはビーム誘起電力法によリ± 3 ° 程度の精度が得られる。（5)についてはビームローディングが軽いため約1 ° を見込んでおけば良い。以上、⑴ 〜(5)の要因によy 発生するェネルギ変動の r m s 値 は LONG PULSE及びSHORT PULSEの両モ一ドともに±0.2o/o以下で ある。 これに対して(6)は、LONG
PULSE MODEで、従来のように加速管のフィリングタイムが経過してから電子ビームを入力した場合、約 1 0 %程度の卜ランジェン卜が発生する。 この卜ランジェン卜は加速管のフイリングタイム程度の時間内に整定して定常状態となるが、ビームパルス幅5 y s e c 中約1 u s e e は、後続のビームラインのエネルギアノ《一チヤで損失となる可能性がある03~
BEAM
PROFILE(mm)

2 -Fig.7 ENERGY TRANSIENT SUPPRESSIONBY RF AMPLITUDE MODULATION
7■
コンパク卜でかつ良好なエネルギ幅特性を目指したR旧FM U S ES用 300MeV電子リニアックのシステム設計について概略を述べた。今後、B B U 及び卜ランジェン卜抑圧につし、て更に検討を加え、詳細な設計を進める。

s. m
卜ランジェン卜抑圧方式に関して貴重な御意見を頂きました SLACの Dr. Juwen Wang及 び KEKの小林仁先生に感謝致します。

Vertical (90%particle)

vHorizontal(90%particle)

參考文献1)NLC Test Accelerator Conceptual Design Report, SLAC
Report-411 pp32-pp33
2) Private Communication from Dr. Juwen Wang at SLAC

Fig.6

Beam Transport Simulation Result(Long Pulse Mode)—i—1020

Accumulated Beam Line Length (m)30