励振系 RFΔΦΔΦ-AΔΦ 変調による初期ビームローディング補正佐藤小関政則*A)、松本C)

忠 、三浦利広 A)、設楽D)

禎雄 、境哲夫 A)、福田武志E)、横山和枝佐藤A)

茂樹 A)、小林F)、早川仁 A)、神谷恭史F)、早川幸秀 A)、中村建F)、田中典雄 B)、俊成 F) 、勇 F)

高エネルギー加速器研究機構加速器研究施設〒305-0801 茨城県つくば市大穂 1-1B)

東京大学物性研究所軌道放射物性研究施設〒277-8581 千葉県柏市柏の葉 5-1-5C)

理化学研究所ビーム物理工学研究室〒351-0198 埼玉県和光市広沢 2-1D)

三菱重工業株式会社〒729-0393 広島県三原市糸崎町 5007 番地
E)

日本大学大学院理工学研究科量子理工学専攻〒274-8501 千葉県船橋市習志野台 7-24-1 日本大学理工学部船橋校舎F)

日本大学量子科学研究所電子線利用施設〒274-8501 千葉県船橋市習志野台 7-24-1 日本大学理工学部船橋校舎

概要
電子ライナックを利用した低速陽電子利用実験においては、ロング・パルスかつ大電流の電子ビームを加速し、これを金属ターゲットに当てて、大強度かつ高輝度の低速陽電子を発生させる必要がある。
このようなビーム加速技術は、電子ライナックを利用した自由電子レーザー(FEL)や将来のリニアコライダーにおいても要求されている。このためには、
1RF パルス内で複数のバンチを加速するマルチ・バンチ運転が適しているが、過渡的なビームローディング（初期ビームローディング）の効果により、パルス内で大きなエネルギー広がりが生じる。このようなエネルギー広がりは、ビームロスや加速管及び下流ビームラインでの深刻な放射化を引き起こす可能性がある。したがって、ビームロスを起こさない高品質の電子ビームを得るために、初期ビームローディング効果の補正が必要不可欠となる。本発表では、このような初期ビームローディング効果を補正し、パルス内エネルギー広がりを完全に抑制するための補正システムについて発表する。また、日本大学量子科学研究所電子線利用施設にて行ったビーム試験の結果について報告する。

１．はじめに大電流かつロング・パルスの電子ビームでは、バンチ・トレイン後方に行くに従い、負の縦方向ウェイクポテンシャルが増大することにより、後続バン*

masanori.satoh@kek.jp

チの受ける加速電場が先頭バンチと比較して減少する。ビームパルス幅が加速管フィリングタイムよりも長い場合には、加速管内の電場は 1 フィリングタイムの間減少し続け、その後定常状態となる。
このような初期ビームローディング効果を補正する方法には、トリガタイミング[1]・スタッガードタイミング[2,3]・∆F 補正方式[4]などがある。トリガタイミ
ング補正では、加速管が RF パワーで満たされる前に電子ビームを入射し、パルス先頭でのビームエネルギーを意図的に下げることにより、エネルギー広がりを抑制する。また、スタッガードタイミング補正においては、複数加速管でのトリガタイミングを互いにずらすことにより、単純なタイミング補正よりも高精度なエネルギー補正が可能である。これら２つの補正方法は、トリガタイミングを調整するのみなので、システム構成が単純である。∆F 補正方式では、基本加速周波数 f0 よりもわずかに高い(f0+∆f)及び低い(f0−∆f)周波数の補正セクションを用いることにより、パルス内に加えてバンチ内でのエネルギー広がりも同時に補正することが可能である。しかしながら、補正用周波数の生成・同期に高度な技術が要求され、補正システムが複雑かつ大がかりになる。
また、加速管 1 本から構成される小規模ライナックには適用することが不可能である。
初期ビームローディング効果によるエネルギー広がりを、加速管毎に完全に抑制（ローカル補正）するためには、振幅変調補正方式（∆T）[5,6,7]が適している。振幅変調補正方式では、加速管のフィリング

タイムの間はランプ波形で立ち上がり、その後は一定のパワーになるようなクライストロン出力を加速管に入力する。電子ビームをフィリングタイム後に入射することにより、加速管内での電場分布は、定常状態の電場分布のまま一定に保たれる。このとき、電子ビームのエネルギーはパルス内で一定となり、エネルギー広がりを完全にゼロに抑制することが可能である。我々の補正システムでは、励振系の低電力 RF を振幅・位相（∆Φ‑A）変調することにより、振幅変調補正方式を実現する。

振幅測定誤差が大きいため、本実験では位相検出のみに用いた。

variable RF amplifier
FG２．初期ビームローディング補正システム
本研究の補正方法では、クライストロンをドライI/Q detector
ブするための低電力 RF の振幅・位相を同時に変調し、∆Φ-A∆Φ modulator
クライストロン出力振幅を目標の波形で出力しつつ、それと同時に位相はパルス内で一定となるように制御する。しかしながら、クライストロンは高ゲインかつ非線形デバイスであり、入力振幅を変調することによる出力制御は非常に困難であると思われ、このような変調方式は採用されることがなかった。しpulse generator
for the common time base of two FGs
かし、我々は、アンプ系（クライストロン及びプレアンプ）全体の入出力特性を予め測定し、その特性
図２：補正システムの写真を考慮することによって高精度な出力制御を試みた。
すでに、励振系 RF 変調のための”∆Φ‑A 変調器 [8]３．ビーム試験及び高速位相検出のための I/Q 検出器 [9] の開発
補正システムの実用性を確認するために、日本大及び試験を行い、満足な結果を得た。∆Φ‑A 変調器
学量子科学研究所の電子線利用施設にてビーム試験は二台の移相器(Phase shifter)、I/Q 検出器は二台のを行った。図３に示すように、本施設の 125MeV 電DBM(Double-Balanced-Mixer)から構成されており、子ライナックは、クライストロン 2 台と 4m 加速管非常に単純な回路構成であるため高い耐久性・信頼（110 セル）3 本から構成されている。加速後の電子性が期待できる。さらに、コンパクトなシステムでビームは、偏向電磁石(BM1,BM4)によって FEL 及びあるため、既設のクライストロンシステムへの組みパラメトリック X 線ビームラインに導かれる。本実込み及び撤去も容易である。
図１は、補正システムのブロック図を示している。 験では、加速管 2 本をドライブしている 2 号機クラ∆Φ‑A 変調器に入力された低電力 RF は、二分割されイストロン上流側の IΦA システムの代わりに、∆Φ‑Aた後に異なる移相器へ入力される。各々の移相器を、 変調システムを設置した。ビームエネルギーの測定
独立の任意波形発生器(FG)により制御して、目標のは、直線部下流の偏向電磁石(BM4)の励磁電流値を振幅・位相波形を持った RF 信号を出力する。クライ変化させ、ビーム波形をコアモニタ（CM7）で繰りストロン出力は、I/Q 検出器及び RF 検出器（検波器）返し観測することによって行った。本測定は、BM4を用いてオシロスコープにより測定する。I/Q 検出器
下 流 の ス リ ッ ト 幅 を ±1mm （ エ ネ ル ギ ー 分 解 能を用いれば、振幅及び位相を同時に測定することが±0.15%）に設定して行った。ビーム試験の主なパラ可能であるが、入力信号の位相及び振幅に依存したメータは、表１に示した。
900W
PV-3030∆Φ-Amodulator∆Φ
Solid-state
M.O.
図４はビームエネルギーの測定結果であり、補正
Klystron
No.22856MHz
amplifierVar.att.
Var.att.
18 MW
前（黒）及び補正後（青）の測定値（丸印）及び計算値（点線）を表している。計算値は、コアモニタ
Var.AMP.
Att.
による測定ビームパルス波形及びクライストロン出-60dB
力波形より求めた。測定値と計算値の誤差は、ビー
IQ Detector
LPF
FG
FG
ムパルス先頭で特に大きくなっている。これは、パAtt.
Att.
Pulse generator
-10dB
-20dB
100MHz
ルス先頭でのビーム強度が弱く測定誤差が大きいこ
Oscilloscopeとや、測定中のビームエネルギー変動が原因と考えGPIB
RF Detector BPF
られる。
Att.
-20dB
図４の測定値が示すように、補正前 24%であった
PC
エネルギー広がりは、本補正システムを用いること
図１：補正システムのブロック図
dividerBethe hole coupler

REF. in〜14dBmCnt.V1Cnt.V2AcosΦ
Φ

RF in
6dBm

A sinΦ
ΦClock Basedivider-3dB

CM: Core Monitor
Beam dump

BM 1
CM 5BM 4Acc 3Acc 2

CM 4Acc 1

CM 3

CM 2 CM 1
B PB G

14MW
Slit

30dB

BM 5
CM 6
FEL(Undulator)

BM 29MW

PXR

Klystron 29MW
3dB
18MW

5.5dB
20MW
Klystron 1

Low-speed φ shifter

Beam dump

RF Amp.

RF Amp.

CM 7
BM 64kW

3.6MW
G:DC Gun
PB:PreBuncher
B:Buncher[ Injector ]High-speed IΦΑΦΑ 1BM 3
Beam dumpOscillator 2856MHz
Oscillator 28.56MHz∆Φ-A∆Φ modulation system
図３：測定セットアップ
により、補正後には 6%程度にまで抑制することができた。この補正後に残るエネルギー広がりは、一本目の加速管における初期ビームローディング効果によるものであり、1 号機クライストロンにも同様のシステムを組み込めば、エネルギー広がりを完全に抑制することが可能である。このビーム試験により、本補正システムの有効性・実用性を実証することができた。

表１：ビーム試験のパラメータ
ビームエネルギー
補正後
補正前
ビームパルス幅
平均ビーム電流値
DC gunAcc1
Acc2,Acc3
出力パワー

Beam energy spread ∆ E/E [%]クライストロン 1
クライストロン 2

89 MeV
100 MeV
2.3 µsec
180 mA
140 mA
100 mA

20 MW
18 MW

26
Before compensation (measurement)
24
Before compensation (calculation)
22
After compensation (measurement)
20
After compensation (calculation)
181614121086420-2
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2t [µsec]

図４：ビームエネルギー測定の結果

４．まとめ及び今後の課題
本研究では、励振系 RF の振幅・位相変調による初期ビームローディング補正方法を提案し、これに必要な補正システムを開発した。ビーム試験の結果から、本補正システムを用いることにより、初期ビームローディング効果を高精度に補正し、エネルギー広がりを抑制可能であることを確認した。
今後は、高速な DSP ボードを用いたパルス毎のフィードバック制御を行い、速いエネルギー変動を完全に抑制する補正システムを開発予定である。

参考文献[1] J. W. Wang, “RF PROPERTIES OF PERIODICACCELERATINGSTRUCTURESFORLINEAR
COLLIDERS”, SLAC-339 (1989).
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Miller and R. B. Neal, “RECENT BEAM PERFORMANCEAND DEVELOPMENTS AT SLAC”, IEEE Trans. Nucl. Sc.
NS-16, No.3 pp.311-315 (1969).
[3] I.V. Syrachev and T. Higo, “Numerical Investigation ofTransient Beam Loading Compensation in JLC X-bandmain linac”, KEK Report 96-8 A (1996).
[4] S. Kashiwagi, H. Hayano, F. Hinode, K. Kubo, H.
Matsumoto, S. Nakamura, T. Naito, K. Oide, K. Takata, S.
Takeda, N. Terunuma, J. Urakawa, T. Okugi and M. Kagaya,“Preliminary Test of +-∆F Energy Compensation System”,
KEK Preprint 96-110 (1996).
[5] K. A. Thompson and R. D. Ruth, “Simulation andCompensation of Multibunch Energy Variation in NLC”,
Proceedings of the 1993 Particle Accelerator Conference,
p.3693 (1993).
[6] I. V. SYRACHV and T. HIGO, “Numerical Investigation ofTransient Beam Loading Compensation in JLC X-band
Main Linac”, KEK Report 96-8 A (1996).
[7] S. Kashiwagi et al., “Beam Loading Compensation using
Phase to Amplitude Modulation Method in ATF”, ATF
INTERNAL REPORT 98-27 (1998).
[8] M. Satoh et al., “COMPENSATION OF INITIAL BEAM
LOADING FOR ELECTRON LINACS”, Proceedings of
the Seventh European Particle Accelerator Conference,Vienna, pp. 2462-2464 (2000).

[9] M. Satoh et al., “First Beam Test of ∆Φ-A Initial
Beam Loading Compensation for Electron Linacs”,
Proceedings of 2001 Particle Accelerator Conference,
pp. 3954-3956 (2001).