High Gradient Experiment and Beam Acceleration by the ATF-Phase-I Linac
Seishi Takeda, Mitsuo Akemoto, Hitoshi Hayano, Hiroshi Matsumoto, Takashi Naito
and JLC Study Group
National Laboratory for High Energy Physics
Oho 1-1，Tsukuba, Ibaraki 305, JapanAbstract
High gradient experiment has been carried out with a traveling structure of ATF Phase-ILinac. The dark current ismultiplied along the structure, and the multiplication factor at 70
MeV/m is estimated to be 1.63 per celLfor the present structure. The field enhancement
factor P near the input coupler and inside the output coupler is evaluated to be 39 and 66
respectively. The electron beam has been accelerated at the gradient of 85 MeV/m.
はじめに
リ ニ ア コ ラ イ ダー(電 子 • 陽電子衝突型線形加速器 )は 対向 し た 2 台 の 主 リ ニ ア ックから構成されており、電子と陽電子のバンチを直線上で加速し、それぞれ正面衝突させるために放射光損失がなく、原理的には エ ネ ル ギ ー の 限度はない。重 心 系 ITeVの リ ニ ア コ ラ イ ダ ー を 全 長 14 k m 以内で建設するには、加 速 管 内 で 従 来 よ り 1 桁 高 い 100Me V / m 以上の加速電界を発生させねばならない。 このような高電界では 、RF Breakdownと Dark Currentが無視できず、高電界達成にはこれらの基礎的研究を推進する必要がある。
高 加速 勾 配 で の RF Breakdownに関する実験は、SLAC 、Varianが単独または共同りでおこなった Sband、C-band、X-bandの各周波数領域での報告がある。 これらの実験は、小出力の RF 源 ( 1 M W 〜数 10M W ) で高い加速電界を作りだすために、Half-Cavityや、 1Cell+ 1 Couplerの兀モード定在波型加速管、並 び に 6 Cell+ 1 Couplerの 2冗/3モード定在

しかし、RF Breakdown や Dark Current が、カ卩
速管の全長すなわち Cell数に大きく依存するものと予想され、そのためにも、実機に使用される長さの Traveling Wave 型加速管で起きるこれらの問題を解明する必要がある。 しかし、 そのためには、Sバ ン ド で は 100〜 200M W の R F 源が必要となる。

JLC Study Groupは、以 前 PF入射器のリゾンナントリングを利用して 1 0 4 M W のピーク出力を作り、電鏟方 式で 製 作し た 3 Cell+ 2 Couplerの Travelingwave 型加速管で、 103 M e V / m の高加速勾配を達成している。今回は、J L C の R & D 用に 試 作し た ATF

Phase-Iリニアックの R F 源(最 大 200 M W 、 1 哗)を用いて 、17 Cell+ 2 Couplerの S-band加速管の高電界実験をおこなった。

I. High Gradient 実験装置(図 1 参照）a)RF 源日光に建設された、 クライストロン変調器は合波型加速管を用いている。 これらの一連の実験から、計 4台で、 そ の う ち 1 台は、現 在 30MWX-band ク

Kilpatrick Breakdown Limit を上廻わる Peak Surface

ライストロン XB-50K の試験に用いられており、 もFieldが得られること、 ま た Breakdown Limitが周う1 台はリゾナントリングや、大 出 力 R F コンポ一波数の平方根にほぼ比例することなどが明らかになネントの開発に利用されている。残 り の 2 台はATFった。

S L A C で SLC 用 に 開 発 した 5045 S-バンド•クライストロンと、東 芝 製 E3712 S-バンド•クライストロンにそれぞれ接続されており、2台のクライスト
ロ ン の R F 出 力 は 3dB カップラーで合成され、パル2. 加速管周辺の測定装置

ス 幅 1哗 で 、最 大 200 M W のピーク出力が発生できDark Currentを計測するために、加速管の上流る。 これを真空導波管で、 17Cell+ 2 Couplerのロと下流にそれぞれ、パルス波形測定用ビーム電流モゥ 付け 製 S-band加速管に入力する。

ニター、電荷量測定用ファラデーカップが設けられている。加速管の下流には 、Dark Currentのプロフb) インターロック系

ァイル測定用として、Cr-dopedSi02 を用いたビー
ムプロファイルモニターが設けられており、 リアル

クライストロン R F 窓付近、加速管入力並びに出 力 Coupler付近の導波管内の真空、並びに加速管前後のビームダクト内の真空は、CCG 真空計によってモニターされており、制 御 用 V A X コンピュータ
一 に C A M A C 経由で接続されている。 インターロッ
ク系として、上記の真空計、 クライスト U ン窓へのタイム画像処理装置に接続されている 。DarkCurrentのエネルギー分布は、分析用電磁石によりコンピューター制御で自動的計測される。 さらに、

l(H0の 小型 プラ スチ ッ ク * シンチレーターが加速管外壁に沿って貼り付けられており、加速管内で発生した RF Breakdownに よ る X-ray Burstの波形がリ反射ピーク R F レベル、冷却水系、 クライストロン

アルタイムで測定できる。すでに報告 2)したように、ダイオード保護の各インターロッグが、変調器自身

R F パルスの Frontが 加 速 管 出 力 Couplerを通過する
時点で、 Burst状 の Dark Currentが電流モニターでのインターロックに加えられており、異常時は電源同 期 の 50ppsで運転されているグライストロン変調器を停止することができる。真空系インターロッ
クレベルは、通 常 3 〜 4X10-7 Torrに設定している。

言
t測され、 また同時に X-ray Burstが OutputCoupler付近で測定された。 またエネルギー分布の測定で、 このBurst状の Dark Currentが 1 Cell分の加速エネルギ一に相当する低エネルギ一にピークを有することから、出 力 Couplerに お け る Multi Pactorc) Auto Processing Systemに起因する、使用加速管固有の現象であると考えた。

加 速 管 に R F を 入力して RF Processingをする
際、Computer-Auto-Processing System が用いられた。

V A X コンピューターは、設定された真空アナログ

3. High Gradient 実験a) Dark Current の加速管長依存性レベル(通 常 は 6 X 1 ( H 〜 1X10 々 Torr)以上に圧力が上昇しないよう、 ク ラ イ ス ト ロ ン の R F 入力レべ

今 回 行 っ た High Gradient実験の目的は 、Dark

ル を調 整し て R F 出力パワーを制御する。 このようProcessingが進むにつれ、設定した最大出力まで自CuiTentの加速管長依存性を明らかにすることである。 もし、加速管が、電子増倍管のように DarkCurrentの増倍をする働きをするなら 、Dark Current

動的に上昇していく。真空がインターロックレベルは加速管長に比例せず、指数関数的に増加するであを超えるような RF Breakdownが発生したときは、ろう。 これを明らかにするには、長さが異なり、 同クライストロン変調器が停止し、真空の圧力レベル一特性を有する数多くの加速管を準備しなければなが設定値以下 (通 常 は 6X10-8 Torr)に回復すると、らない。 ここでは、模擬実験として、加速管に磁場加 速 管 へ の R F 入力が低いレベルから再び開始されを横方向にかける方法を採用した。磁場をかけると、る。 こ の Systemに は 任 意 の R F レベルを保持する

磁場上流部で 発生 した Field Emitted Electronsは軌

Hold-Mode Routineを有し、上記の真空の圧力レべル以下であるなら、Terminalの Key Boardから設定 し た R F レベルを長時間にわたって保持できる。

道を曲られるため、加 速 管 出 口 で の DarkCutTemな制御方式で、加 速 管 へ の R F パワーは、が減少することが予想される。加速管の磁場下流部を加速管実行長として、70MeV/m の加速電界時のDark Currentをプロットしたのが第 2 図である。 出力 Couplerで 発 生 し た Dark Currentを除くため、Dark Currentは測定したエネルギー分布から低エネルギ一成分を除去し、積分して得られた値を使用し最 大 85M e V / m におけるビームの加速試験をおこなった。詳細は講演にゆずる。

た。 図 1から明らかなように 、Dark Currentは加速管実効長に指数関数的に増加している。そして、 この実験に用いた加速管の場合、70MeV/m における1Cell当たりの増倍率は、全長にわたってほぼ一定で、 1.63倍であった。

おわりにCell数が多く実機に近い長さの Traveling
Wave型加速管を用いた High Gradientの実験は緒についたばかりである 。High Gradientにおける現象は複雑で、多くのパラメータに依存すると予測されb) Energy 分布から求めた Field Enhancement
factor p従来は、加速管出口で測定される Dark Currentと加速管内の Surface Field から、Fowler-Nordheim
プロット図を作成し、そ の勾配から Field

Enhancement Factor卩を求めてきた。長い加速管の場 合、加 速管 出口 で測 定 さ れる Dark Currentは、増倍効果の影響を受けて、Fowler-Nordheimブロットから得られる P は、主に加速管入口付近の Field
Emitted Electronに 関 す る P 値を反映しているものと考えられる。第 3図は、加 速 電 界 33 MeV/m〜92
MeV/m に お け る Dark Currentのエネルギ一分布である。低エネルギー成分も含めた全電子数と、低エネルギー成分を除いた電子数についての Fowler-Nordheim ブロ ッ トを図4 に示す。 P 値 は 、全電子数でプロットした場合は 66となり、 これはファラデ一カップで測定した値と一致する。低エネルギー成分を除去、す な わ ち 出 力 Coupler内で発生したDark Currentを 除いた電子についての p 値は 39と求められた。 以上のことから、 出 力 Couplerでは 、RFBreakdownが生じるため、Pが改善されないが、加速 管 上 流 付 近 は P 値 が 39 程 度 ま で RF Processingが進んでいるものと考えられる。

C ) 最大到達加速電界実験に使用した加速管については、設定した真空系のインターロックの条件を保持しながらおこなつ た RF Processingで、現 在 93 M e V / m の加速勾配に到達している。

3)

85 MeV/m におけるビーム加速試験る。多くのことを知るには、系統的な実験を数多くこなすことが必要で、 そのためにも数多くの異なった特性の加速管についての実験を進めていかなければならない。 そのために、同 一 Geometryではあるが、 P値を高める有機物の付着を低減した加速管や、その他の加速管をすでに準備している。

参考文献

1)G.A.Loew and J.W.Wang, Proc. Xlllth International
Symposium on Discharges and Electrical Insulationin Vacuum.
2) H.Matsumoto et. al”Particle Accelerators, Vol.26(1990) 231/1189.

RF lusec widthp —I scintillator1ェ
ぞ1+ photomultiplierwater loadIII丨丨丨_lll

transformer

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momentum analyzer
magnet|ionpusnp|

Faraday-cup2

Q\ profileprofi monitor

0.6m AOC. STRUCTURE 'ideo camera

Faraday-cup 1

current
X-ray survey meter ぽぼ陳

第 1図 High Gradient 実験装置
*910Dark Current vs Structure Length
11ind.J?qilnoo)&Fowler-Nordheim Plots for S-band Structure•"•一...............•o*Ea « 7 0 M eV /mLLZ
ヨ .一…

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101520

Number of Accelerating Cell (Structure Length)
1/Es (m/V)

第 1図. 70 MeV/mの加速電界時の DarkCmrentの加速管長依存性。

01

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第2 図 .加 速 電 界 33MeV/m〜92MeV/mにおける DarkCuircntのエネルギー分布。

第3図. 低エネルギー成分も含めた全電子数と、低エネルギ一成分を除いた電子数についての Fowler-Nordheimプロット。